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

ние многочисленным фактам, накопленным наукой и ли­ тейной практикой за последние годы.

Рассмотрим с этих позиций природу формирования зародышей и основные процессы, обусловливающие из­ менение параметров графитизации.

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАРОДЫШЕЙ ГРАФИТА В БЕЛОМ ЧУГУНЕ

Вопрос о механизме образования зародышей графи­ та в железоуглеродистых сплавах вообще и в ковком чугуне в частности, как и весь процесс графитизации в целом, уже несколько десятилетий является одним из наиболее дискуссионных вопросов в металлографии чу­ гуна. Количество работ, .в той или иной мере освеща­ ющих этот вопрос, так велико, что порой кажется, что не осталось какой-либо позиции, с точки зрения которой не рассмотрен вероятный механизм этого процесса. Осо­ бое внимание уделяется механизму воздействия предва­ рительных обработок (закалки, низкотемпературной об­ работки, .модифицирования и пр.), находящих все более широкое применение в литейной практике. Основные гипотезы в связи с этой проблемой показаны в табл. 12. Нетрудно заметить некоторую общность признаков, по которым их можно объединить в три основные группы.

Первая группа связывает ускоряющий эффект пред­ варительных обработок с возникновением дефектных участков (неплотностей), нарушающих монолитность металлической -основы. Авторы гипотез указанной груп­ пы по-разному объясняют причины образования в структуре металла таких дефектов: закалочными тре­ щинами, усадочными процессами, газовой пористостью и пр. Но основная идея во всех случаях одна: наличие свободных объемов облегчает зарождение и рост гра­ фитовых включений. Вряд ли можно привести какие-ли­ бо серьезные возражения против принципиальной сто­ роны этих соображений. Положительное влияние не­ плотностей на графитообразование неоднократно дока­ зывалось и не вызывает сомнений. Молено спорить лишь о необходимости увеличивать дефекты в белых чугунах посредством указанных предварительных обработок. Де­ ло в том, что в силу ряда причин монолитность металла в нормально затвердевших чугунах нарушена множест­ вом дефектных (неплотных) участков, которые могли бы исполнять ту же роль, что и неплотности вследствие

28

29

предварительных обработок. Речь идет в первую очередь о неплотностях, .возникающих из-за естественной склон­ ности белого чугуна к рассеянной пористости. Сущест­ венный вклад в возникновение неплотностей при охлаж­ дении и графитизирующем отжиге имеет и различие в термических коэффициентах основных фаз чугуна: фер­ рита, цементита и аустенита. В одном из наших исследо­ ваний [44] мы попытались оценить и сравнить суммар­ ный объем дефектных участков ,в белых чугунак с об­ щим объемом графитовых зародышей при том условии, что их размер соответствует критическому диаметру (Рцр-з=288- ІО-'24 см3) [32][ Полученные цифры показали что объем дефектов намного больше (в ІО12 раз) теоре­ тически необходимого для возникновения тех графито­ вых зародышей, которые обычно характерны для ковкого чугуна. Следовательно, нет необходимости в какой бы то ни было предварительной обработке с целью создания дополнительных дефектов. Предварительная обработка имеет смысл только тогда, когда доказано, что в силу тех или иных причин новообразованные дефекты обла­ дают некоторыми существенными преимуществами по сравнению с ранее существовавшими.

Объединяющим звеном второй группы гипотез явля­ ются напряжения, возникающие в кристаллах цементита. Основная идея этих гипотез в том, что положительные напряжения в кристаллах цементита ускоряют графитообразование, согласуется с положительным объемным эффектом реакции цементит-*- графит-|-аустенит (фер­ рит). Экспериментальные данные, однако, показывают, что с позиций указанной группы гипотез нельзя найти объяснение целому ряду твердо установленных фактов. Об этом уже упоминалось при рассмотрении особенно­ стей графитизации изолированного цементита. Следует напомнить и то, что закалка с образованием мартен­ ситной структуры дает достаточно хорошие результаты и в тех случаях, когда в закаленной структуре железо­ углеродистых сплавов нет включений цементита [37].

Третья группа гипотез зиждется на так называемой флуктуационной теории. Она рассматривает концентра­ ционные и энергетические флуктуации как основной ис­ точник образования графитовых зародышей. Особое внимание уделяется превращению низкотемпературного e-карбида в Fe3C. Предполагается, что указанное прев­ ращение играет решающую роль в формировании гра­

30

фитовых зародышей в предварительно закаленных чугунах. Не вдаваясь в детали, сторонники указанной кон­ цепции отмечают, что карбидное превращение вызывает интенсивную диффузию атомов углерода. Это создает условия для их более частых встреч и объединений в ви­ де графитовых или карбидных образований.

Развивая эти соображения, ,мы попытаемся несколько глубже вникнуть в природу процессов, оказывающих, как мы считаем, решающее влияние на графитизацию белого чугуна. Обратимся в первую очередь к экспери­ ментальным данным, объяснение которых невозможно с позиций большинства указанных гипотез.

Начнем с цикла исследований по влиянию предвари­ тельного охлаждения отливок в песочной форме на пос­ ледующую графитизацию белого чугуна. Главное, что нас интересовало в этой серии экспериментов, — это вли­ яние самой температуры предварительного охлаждения. Опытные образцы диаметром 20 мм охлаждали в песоч­ ной форме соответственно до температур 1000, 900, 800, 600, 500, 300, и 20°С. Затем их помещали в предваритель­ но нагретую до 960—980°С электрическую печь для пос­ ледующего графитизирующего отжига и подвергали вы­ держке при указанной температуре в течение 5 ч, а затем охлаждали на воздухе. О ходе графитизации судили, как обычно, по данным миікроструктурного анализа. По­

31

старением и без него. Старению подвергали только ох­ лажденные при 300°С и ниже образцы. Характер зави­ симости между температурой предварительного охлаж­ дения и количеством графитовых включений такой же, как и в предыдущих экспериментах. Наибольшее число зародышей имеют образцы, охлажденные перед отжи­ гом до комнатной температуры. Предварительное охла­ ждение играет чрезвычайно важную роль и в эффекте искусственного старения, который проявляется наиболее полно опять-таки после охлаждения отливок до комнат­ ной температуры.

Результаты проведенных экспериментов ставят в до­ вольно затруднительное положение тех исследователей, которые пытаются объяснить эффект модифицирования непосредственным влиянием неметаллических включений как подкладок или образованием свободных объемов благодаря различиям .в коэффициентах термического расширения железа и соответствующего включения. Совершенно очевидно, что охлаждение отливок в ин­ тервале 300°С— комнатная температура не изменяет существенно величину свободных объемов. Вместе с тем охлаждение в этом температурном интервале, как было показано, оказывает решающее воздействие на число графитовых зародышей.

Весьма интересны данные о роли скорости охлажде­ ния при затвердевании отливок. Опытные плавки этой серии экспериментов осуществляли в производственных условиях дуплекс-процессам вагранка — электроду,говая печь. Образцы диаметром 7, 10, 20, 30 мм отливали в песочные формы. Выполнялись два варианта условий охлаждения и последующей термической обработки опытных отливок.

Вариант 1:1. Отливка образцов в песочной форме и охлаждение их до комнатной температуры. 2. Отжиг об­ разцов, в камерной электрической печи при температуре 950°С. Длительность отжига 7 імин.

Вариант 11:1. Отливка образцов в песочной форме и охлаждение их в формах до 1000—1050°С. 2. Перенос горячих образцов с температурой 1000—1050°С в пред­ варительно нагретую до 950°С электрическую печь. Ко­ роткая выдержка (5 мин) и охлаждение вместе с вык­ люченной печью до комнатной температуры. 3. Отжиг образцов в камерной-электрической печи при температу­ ре 950°С. Длительность отжига 60 мин. Полученные ре­

32

зультаты показаны на рис. 12. Кривые 1 и 2 иллюстриру­ ют утвердившиеся представления о том, что тонкостен­ ные отливки отжигаются быстрее толстостенных. Совсем иной характер имеют зависимости, выраженные кривыми 3 и 4. Оказывается, что в условиях равной скорости ох­ лаждения отливок после затвердевания графитизация толстостенных отливок при последующем отжиге опере­ жает графитизацию тонкостенных. Этот многократно проверенный нами факт сви­ детельствует о том, что уско­ ренное охлаждение во время затвердевания не ускоряет, а, наоборот, замедляет последу­ ющую графитизацию цемен­ тита.

Совершенно очевидно про­ тиворечие между результата­ ми рассматриваемых экспери­ ментов и имеющимися гипоте­ зами о влиянии скорости ох­ лаждения. ІВ качестве объясне­ ния нельзя воспользоваться сколько-нибудь заметным раз­ личием в напряженных со­ стояниях структурных состав­ ляющих. Принятое охлажде­ ние в печи полностью устра­ няет такую возможность. При затвердевании в песочной фор­ ме эвтектическое превращение

несомненно протекает с различной степенью переохлаж­ дения. Из-за этого дисперсность структурных состав­ ляющих (в том числе и цементита) в тонкостенных Отливках выше, чем в толстостенных. Тем не менее этого недостаточно для объяснения преимущества (в смысле графитизации) тонкостенных отливок. Вряд ли можно ожидать какого-либо соответствия между количеством дефектов в опытных образцах и их последующей склон­ ностью к графитизации. Как известно, тонкостенные отливки отличаются большей неплотностью, чем толсто­ стенные.

Определенный интерес представляет и зависимость эффекта предварительных обработок от состава метал­ ла. Связанные с этой проблемой экспериментальные

данные обобщены на рис. 13. Они иллюстрируют влияние углерода, кремния, марганца и хрома на эффективность предварительной закалки и искусственного старения пр'И графитизации железоуглеродистых сплавов. Чистые

железоуглеродистые сплавы не проявляют чувствитель­ ности к таким обработкам. Увеличение углерода и крем­ ния повышает эффективность предварительной закалки и искусственного старения в отношении ускорения графи­ тизации. В обратном -направлении сказывается увеличе-

При определенном содержании хрома (0,2—0,3%) низко­ температурная обработка не оказывает никакого вляния «а последующую графитизацию отливок. Даль­ нейшее увеличение содержания хрома до 0,6—0,7% ликвидирует полностью эффективность предваритель­ ной закалки.

Отмеченная зависимость рассматриваемых обрабо­ ток от химического состава белого чугуна свидетельст­ вует об активном участии элементов в процессах, вы­ званных старением и закалкой. Аналогия закалки и искусственного старения свидетельствует, по-видимому, об одинаковой природе воздействия кремния, марганца, хрома и других элементов на образование зародышей под влиянием указанных обработок.

34

ния теміпературы 900—950°С. Затем часть образцов оставалась в песочной форме, а часть перемещалась ® предварительно нагретую электрическую печь и охлаж­ далась вместе с ней до комнатной температуры. Как мы видим, искусственное старение оказывается более эф­ фективным для образцов, ускоренно охлажденных до комнатной температуры.

Следует также остановиться и на топографии (рас­ пределении) графитных включений, которые, как выяс­

расположены в объеме первичных аустенитных кристал­ лов (см. рис. 14,6). Встречаются случаи возникновения зародышей в объеме эвтектического аустенита на грани­

распределения графитовых включений в предварительно закаленных и подвергнутых старению чугунах показаны соответственно на рис. 15 и 16. Видно, что топография

графитовыхвключений зависит от температуры закал­ ки. Характерно то, что высокие температуры обеспечива­ ют условия для сосредоточения включения в объеме первичного и эвтектического аустенита.

36

Следует учитывать также и влияние кремния. Его повышение вызывает существенное увеличение общего количества .графитовых включений и преимущественно тех, которые расположены в объеме первичных аусте-

кристаллов.

Противоположно кремнию влияет повышение содер-

ж е н ы в п е р в и ч н о м а у с ­

г р а ф и т о в ы х в к л ю ч е н и й

жания марганца — снижает как общее количество гра­ фитовых включений, так и количество включений, расположенных в объеме ледебурита и первичных аустенитных кристаллах.

Остановимся на результатах исследования, прове­ денного с целью изучения графитизации в условиях дифференцированной закалки отдельных участков пер­

ренность бывших первичных кристаллов закалена и состоит из мартенсита, а периферия — из перлита. Ука­ занная структура была получена в опытных пробах из белого чугуна следующего состава: 2,40% С; 1,05% Si; 10,42% Mn; 0,15% S. Сравнительно медленное (на возду­ хе) охлаждение отливок было прервано закалкой в воде при температурах, соответствующих интервалу перлит­ ного превращения (;^730oC). В этом случае была ис­ пользована характерная особенность перлитного превра­ щения начинаться раньше в периферийных участках аустенитных кристаллов. Таким образом, к моменту за­ калки каждое аустенитное зерно состояло из перлитной

37