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

Распределение марганца и хрома. Марганец и хром относятся к карбидообразующим элементам. Их рас­ пределение в принципе соответствует схеме, показанной на рис. 7, б. В соответствии с имеющимися данными [24, 25] можно принять, что коэффициент распределе­

Неравномерность распределения марганца проявля­ ется и по сечению отливки. Значения Кмп в поверх­ ностных слоях отливки ниже, чем во внутренних:

Мп (цементит) %

Мп (феррит) %

18

Аналогично распределяется и хром. Разница заклібчается в основном в значительно более высоком коэффи­ циенте распределения хрома между карбидной фазой и твердым раствором. В соответствии с результатами на­ ших экспериментов, а также с данными работы [26] можно утверждать, что Ксг .колеблется от 3 до 10. Зна­ чительное колебание коэффициента распределения объ­ ясняется более высокой, чем у марганца, чувствитель­ ностью к скорости охлаждения. Данные о фактической концентрации хрома в различных разновидностях цементитной фазы приведены в т.аібл. 6 [26]. Более высо-

кие температуры формирования цементита обеспечива­ ют и наиболее благоприятные условия для увеличения содержания хрома в его составе.

Распределение магния. Исследования1 распределе­ ния магния проводили на белых технических и синтетиче­ ских чугушах. Содержание магния в карбидах определя­ ли химическим и спектральным анализами. Выделенные при электролизе карбиды прессовали для спектрального анализа .в виде цилиндриков диаметром 10 и высотой 20 мм. В качестве эталона использовали спрессованную в такие же образцы смесь из окиси магния и карбидов чугуна, не модифицированного магнием. Составы ис­ следованных чугунов и результаты химического анализа приведены в табл. 7. В технических чугунах (плавки 1—4) основное количество магния сконцентрировано в

ских бескремкистых чугунах (плавки 5—8) наблюдается противоположное явление. Здесь большая часть магния сосредоточена в карбидах.

1 Исследования проводили совместно с Г. И. Кошовник.

19

Таблица 7

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИЯ 13 БЕЛОМ ЧУГУНЕ

П р и м е ч а й и е. В скобках указаны содержания магния, определенные спектральным анализом._______________________________________________________

Распределение серы. Растворимость серы в феррите не превышает нескольких тысячных процента. Макси­ мальная ■концентрация серы в аустените достигает 0,06 %. Таков же порядок ее растворимости и в карбидной фазе [27]. Низкая растворимость серы в основных фазах бе­ лого чугуна несомненно свидетельствует о том, что ее содержание (0,1—0,2%) концентрируется главным образом в виде соединений с марганцем (MnS), желе­ зом (FeS) и в виде эвтектической смеси (FeS+MnS), которую эти соединения образуют между собой. Иссле­ дования показывают, что соотношения этих включений зависят от содержания марганца и серы [27]. На рис. 9

приведены данные микроструктурного анализа. При ма­ лых отношениях Mn/S преобладают включения FeSr меньше включений MnS и еще меньше эвтектической ■смеси FeS-j-MnS. При больших отношениях

Mn/S наблюдается обратная .картина. Для указанных зависимостей характерно то, что различные виды суль­ фидных включений встречаются, хотя и не в одинако­ вых соотношениях, в любых составах ковкого чугуна. Наблюдается аналогия с составом сульфидных включе­ ний в сталях [28]:

Особенности методики фазового химического анали­

сти касаются наиболее часто встречающихся в ковких чугунах отношений Mn/S = 3-4-4. Увеличение углерода повышает содержание сульфидов в граничных поверх­ ностях Лі/Дэ и в цементите за счет сульфидов, распо-

21

ложенных в объемах первичных .кристаллов и поверх­ ностях Аі/Цц. Отмеченное распределение, вероятно, свя­

Видно, что увеличение содержания углерода ведет к существенному повышению содержания кремния з фер­ рите. Наблюдается и некоторое, хотя и незначительное, увеличение кремния в-кристаллах цементита.

Для карбидообразующих элементов отмечается об­ ратная зависимость:

Увеличение содержания углерода, приводящее к по­ вышению содержания кремния и к снижению концентра­ ции марганца как в ферритной, так и в карбидной фазах, повышает абсолютное количество .карбидной фазы за счет феррита. Низкая концентрация кремния в цемен­ титной фазе и одновременное увеличение карбидов при­ водят к повышению 'содержания кремния в феррите (аустените). Логично и наблюдаемое понижение марган­ ца в феррите и цементите, так как чем выше абсолютное количество карбидов, тем больше часть общего количест­

22

ва марганца, которая в них растворена, и меньше часть, которая остается для распределения в феррите.

Остановимся на некоторых качественных изменениях, наступающих в структуре белых чугунов под влиянием постоянных примесей и легирующих элементов (табл. 9).

Таблица 9

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ БЕЛОГО ЧУГУНА

Приведенные данные1 касаются характерных для ковких чугунов .концентрации рассматриваемых элементов. Вид­ но, что большинство примесей, исключая серу, не оказы­ вает заметного влияния на форму, дисперсность и рас­ положение структурных составляющих чугуна, форми­ рующихся в ходе кристаллизационного процесса, т. е. на первичный аустенит и ледебурит. В некоторых случаях, однако, имеет место огрубление аустенито-карбидной эвтектики (ледебурита). Термином «огрубление ледебу­ рита» мы отмечаем трансформирование ледебурита ти-

1 Данные относятся только к низким содержаниям рассматри­ ваемых элементов. При повышенном содержании кремния, хрома и других элементов их влияние на структуру белого чугуна сущест­ венно [6].

23

лично сотовой структуры, согласно терминологии [1, 6], в более или менее тонкий конгломерат из аустенитных и цементитных кристаллов. Отмеченное влияние ісеры, вероятно, обусловливается расширением кристаллизаци-. онного интервала, вызванным формированием сульфид; ной эвтектики. Воздействие элементов на кристаллы вто­ ричного цементита тоже незначительно. Оно выражается в более слабой (в присутствии серы) или более сильной (в присутствии кремния) тенденции к выделению его на базе эвтектического цементита. Иными словами, при­ сутствие серы и кремния вызывает некоторое понижение структурно свободного (выделенного в виде самостоя­ тельных включений) вторичного цементита. Наиболее сильно примеси влияют на дисперсность перлита. Эле­ менты, повышающие (подобно кремнию) температуру перлитного превращения, понижают дисперсность пер­ лита, а элементы, смещающие перлитное превращение в направлении более низких температур, повышают. В присутствии последних дисперсность феррито-карбидной смеси увеличивается. В ряде случаев наблюдается неко­ торая неравномерность в дисперсности перлита. Это, повидимому, является результатом неравномерного рас­ пределения примесей в объеме первичных и эвтектиче­ ских кристаллов аустенита (относится прежде всего к кремнию, распределение которого было уже рассмот­ рено) .

Глава II

ГРАФИТИЗАЦИЯ БЕЛОГО ЧУГУНА

Графитизация белого чугуна рассматривается как ти­ пичный диффузионный процесс, включающий в себя образование графитовых зародышей и их последующий рост, который обусловливается концентрационным гра­ диентом, вызванным различным положением линий ES и E 'S1 на диаграмме железо — углерод. Под влиянием указанного градиента идет непрерывное увеличение графитовой фазы до окончательного растворения цемен­ титных кристаллов. В основе этих процессов, безусловно, лежит стремление системы к максимальной термодина­ мической устойчивости [29—31].

24

Гр а ф и т и за ц и я и з о л и р о в а н н о г о Цем ен ти та

Вопросы относительной стабильности цементита за­ нимают важное место в теории графитизации. Состав цементита и напряженное состояние нередко ставятся в основу формирования графитовых зародышей [32]. Между тем имеющиеся данные о распаде свободного цементита весьма противоречивы. В одной из наиболее ранних работ [33] показано, что графитизация цементи­ та, выделенного из чугуна, происходит очень быстро. По данным других исследователей [34], графитизация изо­ лированного цементита протекает со значительно мень­ шей скоростью, чем графитизация чугуна, в котором це­ ментит присутствует вместе с твердым растзором.

Систематические исследования влияния различных факторов на графитизацию цементита, выделенного электролитически из чугунов с различным содержанием кремния, показывают, что эти противоречия объясняются конкретным составом исследуемого чугуна (табл. 10).

Таблица 10

ВЛИЯНИЕ КРЕМНИЯ НА ГРАФИТИЗАЦИІО ИЗОЛИРОВАННОГО ЦЕМЕНТИТА И ЧУГУНА

Анализ данных таблицы показывает, что длительность графитизации изолированного цементита практически не зависит от химического состава чугуна, из которого он выделен. В чугунах с низким содержанием кремния графитизация свободного цементита намного опережает графитизацию чугунов, в которых цементит присутству­ ет вместе с твердым раствором. В высококремнистом чугуне получается обратная картина. В этом случае графитизация чугунов протекает быстрее, чем распад

25

свободного цементита [35]. Отсутствие какой бы то нй было связи между длительностью распада свободного цементита и содержанием кремния в чугуне, из которо­ го они выделялись, связывается с отсутствием заметно­ го различия в содержании кремния в цементите. Как видно из табл. 10, концентрация кремния в выделенных карбидах не превосходит сотых долей процента.

Аналогичные зависимости получаются при сопостав­ лении графитизационной способности чугунов с различ­ ным содержанием хрома и изолированного из них це­ ментита (табл. 11). В зависимости от содержания хрома

Таблица И

ВЛИЯНИЕ ХРОМА НА ГРАФИТИЗАЦИЮ ИЗОЛИРОВАННОГО ЦаМ ЕНТИТА И ЧУГУНА

графитизация чугуна .может опережать или отставать от графитизации изолированного цементита. Очень инте­ ресным и неожиданным является тот факт, что увеличе­ ние хрома в кристаллах цементита оказывает совсем слабое влияние на их относительную стабильность. Это показывает, что воздействие легирующих элементов на железоуглеродистые сплавы следует связывать главным образом с теми изменениями, которые они вызывают в твердом растворе. Такой вывод в принципе согласуется с данными о влиянии различных предварительных обра­ боток на графитизацию изолированного цементита. Так, закалка проб с образованием мартенситной структуры до электролитического выделения карбидов не меняет графитизируюшей способности рассматриваемой фазы:

26

Совсем незначительные изменения происходят в ста­ билизации цементита и под влиянием модификатора — алюминия:

Эти различия настолько малы, что никак не объяс­ няют влияния модифицирования на графнтизацию желе­ зоуглеродистых сплавов.

Весьма любопытные данные получаются при сопос­ тавлении длительности графитизации выделенного це­ ментита в смеси с железным порошком различного секс­ тана. Методика проведения этих исследований предус­ матривала тщательное перемешивание выделенных из чугуна карбидов с порошком восстановленного электро­ литического железа. Из полученной смеси (25% карби­ дов и 75% порошка железа) прессованием под давлени­ ем 100 кгс/см2 изготавливали цилиндрические образцы диаметром 3,5 и высотой 20 мм. Таким же образом из­ готавливали и образцы из смеси карбидов (25%) и по­ рошка кремнистого железа (75%), содержащего 1,95% Si и 0,07% С. Кинетика их графитизации, осущест­ вленной при 1050°С в запаянных кварцевых ампулах, показывает, что присутствие кремнистого железа замет­

27