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

родыши могут сосредоточиваться преимущественно в объемах эвтектического аустенита, отличающегося высо­ кой .концентрацией кремния.

Весь этот анализ имеет, конечно, сугубо качествен­ ный характер. Тем не менее ясно, что распределение графитовых зародышей поддается объяснению с позиций рассмотренного варианта флуктуациониой теории.

В заключение необходимо лишний раз подчеркнуть, что зародыши графита возникают исключительно при иагреве отливок. Вот почему к нагреву следует отно­ ситься как к одной из самых ответственных операций при графнтизирующем отжиге белого чугуна. Важней­ шим звеном нагрева безусловно является низкотемпера­ турная обработка материала.

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ОБРАБОТКА КОВКОГО ЧУГУНА

Низкотемпературная обработка (НТО) белого чугу­ на, или, как ее еще называют, искусственное старение, все больше утверждается как самый удобный способ интенсификации процесса графитизирующего отжига. В связи с этим несомненный интерес представляет сопо­ ставить возможные варианты низкотемпературной обра­ ботки, при которых можно получить наибольшее коли­ чество графитовых включений в структуре ковкого чугу­ на. Химический состав опытных плавок в проведенных экспериментах находился в следующих пределах: 2,49—

(0,02%)- Образцы имели форму цилиндриков диаметром

20 мм. Впервой части исследования выяснялось влияние температуры и длительности НТО на количество графи­ товых включений в чугунах. Нормальное охлаждение (в литейной форме) прерывалось при определенных тем­ пературах. Методика экспериментов предусматривала быстрое перенесение вынутых из формы образцов в предварительно нагретые печи (табл. 13)*. Полученные результаты показывают, что температура предваритель­ ного охлаждения оказывает решающее влияние на эф­ фективность НТО, причем более низкие температуры вызывают увеличение числа графитовых включений. В

* Графитизируіощиіі отжиг образцов после ИТО осуществлялся при 9503С в течение 4 ц.

48

пература первой НТО. Были исследованы и другие ва рнанты двойной обработки (табл. 15): первую НТО про

в с е х с л у ч а я х 4 ч .

49

водили при более высокой температуре (500—600°С), а вторую—при более низкой.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при выбранном варианте НТО вторая обработка совершенно неэффективна.

Исследована эффективность многократной НТО, включающей выдержки отливок в интервале 100—600°С. Длительность выдержек и результаты экспериментов приведены в табл. 16. Многократная обработка приво-

жи т е л ь - ___________________________________________ ___________________________________________

но с т ь

дит .к существенному увеличению количества графитовых ■включений в .ковком чугуне.

Как и следовало ожидать, такие же результаты по­ лучены при непрерывном нагревании с различной ско­ ростью в интервале 20—700' С (рис. 22). И в этом слу­ чае замедленному темпу повышения температуры со­ ответствует повышенное

число зародышей.

Наконец, в последней серии экспериментов мы по­ пытались выяснить, оказы­ вает ли охлаждение образ­ цов после НТО до комнат­ ной температуры какое-либо влияние на эффективность обработки. Исследуемые об­ разцы охлаждались в литей­ ной форме до комнатной температуры. Разница меж­

ду последущими термическими обработками отдельных образцов состояла лишь в том, что в одном случае их

50

охлаждал« после ИТО «а івоздухе до комнатной темпера­ туры, а в другом — сразу переносили для графитизации в предварительно нагретую до 950°С электрическую печь. Полученные результаты вскрывают еще одну осо­ бенность НТО, а именно устойчивость вносимых ею из­ менений. Последние, как это видно из представленных ниже данных, .сохраняются не только после охлажде­ ния, но и в течение длительного пребывания образцов при комнатной температуре:

Данные указанных экспериментов являются логиче­ ским следствием рассмотренного механизма формирова­ ния графитовых зародышей. Очевидна закономерность факта, что с увеличением длительности НТО в темпера­ турном интервале до 400°С создаются наиболее благо­ приятные условия для возникновения графитовых вклю­ чений. Это объясняется сравнительно малой скоростью диффузионных процессов, что и определяет положи­ тельное воздействие двукратной и многократной НТО. Данные рис. 20 свидетельствуют о том, что при темпера­ турах порядка 300°С (при которых обычно осуществля­ ется НТО) полное перераспределение кремния требует гораздо больше времени, чем практика графитизирующего отжига. При обычных режимах НТО, когда дли­ тельность выдержки в интервале 300—400°С не превы­ шает 5—10 ч, формирование высококремнистого фер­ ритного барьера только начинается. Дальнейшие выдер­ жки при более высоких температурах ускоряют указан­ ное перераспределение. При этом, как уже .было указа­ но, высококремнистый ферритный барьер, смещая линии PG вправо, предохраняет карбидные включения от раст­ ворения в феррите.

Совсем иная ситуация получается при проведении НТО в интервале 500—700°С. В этом случае пересыщенность а-раствора сведена к минимуму. Минимальна и эффективность такой обработки в отношении количест­ ва графитовых зародышей. Она не увеличивается и при

5)

последующих НТО, каковы бы пи были температуры их проведения.

Все приведенные факты свидетельствуют о высоких возможностях правильно подобранной НТО наменять количество графитовых включении, а отсюда и скорость распада цементита в процессе отжита ковкого чугуна. Сравнение полученных зависимостей выявляет некото­ рые общие закономерности, имеющие важное значение для теории II практики указанного процесса. Наиболее существенные из них сводятся к следующему:

1. Эффективность низкотемпературной обработки не­ посредственно связана с предварительным охлаждением отливок. Чем ниже температура его проведения, тем сильнее проявляется способность НТО повышать число графитовых включений.

2.Однократная НТО наиболее эффективна в темпе­ ратурном интервале 300—400°С.

3.Двукратная и многократная НТО дают хорошие результаты тогда, когда первая обработка проведена в

возникает в процессе графитизирующего отжига.

4. Эффективность всех перечисленных НТО непосред­ ственно связана с длительностью выдержки. С повыше­ нием последней увеличивается и количество включений в структуре чугуна.

5.Наиболее эффективны двукратные и многократные варианты НТО, предусматривающие длительную вы­ держку в интервале 300—400°С.

6.Однократная и многократная НТО могут быть ус­ пешно заменены медленным нагревом при температурах от 20 до 700°С.

7.Изменения, вызванные НТО в отношении способ­ ности отливок графитизировать с повышенным числом графитовых зародышей, отличаются большой устойчи­ востью. Они сохраняются после охлаждения и длитель­ ной выдержки чугуна при комнатной температуре.

Поскольку современные агрегаты, используемые для отжига ковкого чугуна, не приспособлены к скачкообраз­ ному повышению температуры, наиболее эффективными являются варианты отжига, предусматривающие вы­ держку в интервале 300—400°С и замедленный дальней­ ший нагрев до интервала перлитного превращения.

52

'РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ГРАФИТИЗИРУЮЩЕМ ОТЖИГЕ

Как уже было отмечено, распределение примесей в белом чугуне характеризуется чрезвычайной неравномер­ ностью (см. рис. 7), что в сочетании со сравнительно вы­ сокой температурой графитмзирующего отжига и распа­ дом цементита вызывает развитие процессов, направлен­ ных на гомогенизацию1 металлической матрицы. Это яв­ ление сравнительно мало привлекало внимание исследо­ вателей [59]. Рассмотрим его основные особенности на примере распределения кремния и марганца. Являясь ти­ пичными представителями графито- и карбидообразующнх элементов, они, как будет выяснено далее, достаточ­ но полно иллюстрируют качественную сторону распреде­ ления элементов в рассматриваемом процессе.

Распределение кремния. Как было показано, кремний

1 Применяя термин «гомогенизация», мы имеем в виду вырав­ нивание состава аустенита (феррита). Следует учитывать, что чу- ■гуны являются гетерогенной системой. При .наличии графитовых и других неметаллических включений полная гомогенизация их (как она подразумевается в .отношении однофазных систем) невозможна.

53

протекает сравнительно быстрее, чем гомогенизация. На рис. 23 показана схема неоднородности аустенита, возникающей при графитнзации. Диссоциация и раство­ рение цементита в процессе его распада приводят к воз­ никновению на его месте вновь образующихся участков аустенита, обозначенных на схеме как А' (рис. 23,6). Из-за небольшой скорости диффузии кремния можно по­

тверждается данными рентгеноструктурного анализа. Некоторые из полученных результатов показаны в виде фотометрических кривых на рис. 24. Ниже представлены данные об изменении периода решетки (кХ) при гомо­ генизирующем отжиге:

Исследовали магниевый чугун следующего состава: 2,95% С; 3,-0% Si; 0,06% Mg. Высокое содержание крем­ ния выбрано с целью получения более ощутимой разни­ цы его содержаний в участках А и А' металлической матрицы.

Анализ фотометрических кривых показывает, что по­ ложение максимумов интенсивности линий рентгено­

-4

грамм исследованных образцов в сильной степени зави­ сит от структурного состояния чугуна. Так, наибольшее смещение максимума интенсивности по отношению к эта­ лону (рис. 24, кривая 4) наблюдается у белого чугуна (рис. 24, кривая 1). По мере распада цементита и гомо­ генизации металлической матрицы при отжиге различие в положении максимумов постепенно уменьшается (кри­ вые 2, 3).

Смещение максимумов интенсивности на фотомет­ рических кривых позволяет заключить, что ферритная составляющая чугуна испытывает заметное сжатие.

Большая степень размытия интерференции указывает на значительную неоднородность a-фазы чугуна до отжи­ га. Столь резкие эффекты в интерференционной картине образцов из магниевого чугуна до и после термической обработки по сравнению с чистым железом следует, повидимому, связывать с присутствием и перераспределе­ нием кремния в твердом растворе.

Как известно, добавление в железоуглеродистые сплавы кремния к a-фазе вызывает уменьшение периода ее решетки. Сопоставление периодов решетки ферритной составляющей чугуна и чистого железа дает основание утверждать, что кремний концентрируется главным об­ разом в феррите. При отжиге происходит распад цемен­

выдержки.

55

Распределение марганца. Принципиальная картина перераспределения карбидообразующих элементов, в том числе и марганца, несколько сложнее, чем распределения кремния. Дело в том, что вместе с тенденцией к гомоге­ низации металлической матрицы в отношении марганца в ходе графитнзацин протекают п процессы перераспре­ деления указанного элемента между твердым раствором и остатками (еще нераспавшегося) цементита. Далее бу­ дут приведены экспериментальные данные, которые в из­ вестной мере расширяют существующие представления о влиянии графитизирующего отжига на распределение карбидообразующих элементов в структуре железоугле­ родистых сплавов. Химические составы опытных плавок указаны в табл. 17. Плавки А и Б относятся к низкоугле­ родистым, а В и Г — к высокоуглеродистым сплавам. Опытные образцы диаметром 12 мм отливали в обычных

вах как с пониженным, так и с повышенным содержанием углерода. Составы опытных плавок были подобраны таким образом, чтобы

56

часть из них не графитизнровалась в условиях отжига (плавки Б и Г). Они отличаются от остальных понижен­ ным содержанием кремния.

Отсутствие графитизации в этом случае позволило выявить самостоятельное влияние отжига на коэффици­ ент распределения и концентрацию рассматриваемого элемента в цементитной фазе. Как и следовало ожидать, отжиг образцов вызывает заметное увеличение концент­ рации марганца в цементите, причем более длительной выдержке во время отжига соответствует повышенная концентрация марганца в цементитной фазе. Объясняется это тем, что сравнительно ускоренное охлаждение образ­ цов в процессе кристаллизации и далее до достижения комнатной температуры приводит к неравновесному рас­ пределению марганца. Концентрация его в аустените (феррите) выше, чем можно было бы ожидать в равно­ весных условиях.

Во время отжига благодаря диффузионным про­ цессам концентрация марганца в цементитной фазе повышается, стремясь достичь равновесного для данных условий коэффициента распределения. Следовало бы полагать, что значительное повышение марганца в остав­ шихся цементитных кристаллах после графитизирующего отжига образцов плавок А и В связано с абсолютным уменьшением цементитной фазы. Однако видно, что в хо­ де графитизации растет не только концентрация марган­ ца в цементите, но и повышаются значения коэффициен­ та распределения. Это совершенно определенно свиде­ тельствует о том, что полученные результаты нельзя объ­ яснить только количественными изменениями фаз. Для выяснения следует привлечь концентрационные измене­ ния в аустените, наступающие во время графитизирую­ щего отжига. Мы имеем в виду данные работ [25]. В них было показано, что образующиеся на месте распавшего­ ся цементита кристаллы аустенита характеризуются по­ вышенным содержанием карбидообразующих элементов. Согласно этим представлениям, перераспределение эле­ ментов, в частности марганца, можно представить схема­ тично, как это сделано на примере доэвтектического чу­ гуна (рис. 26).

Первая схема, данная на рис. 26, а, иллюстрирует распределение марганца между цементитной и аустенит­ ной фазами к началу процесса графитизации, копта за­ родыши графита только что образовались. В соответгт-

57