книги из ГПНТБ / Николайчик Н.П. Повышение стойкости изложниц на машиностроительных заводах

Максимальная растворимость углерода в а-железе при температуре 723° С составляет 0,025%, а в 7 -железе

при температуре 1147° С—2,14%.

Твердый раствор углерода п других элементов в а- железе называется ферритом, а в 7 -железе — аустенитом.

Рис. 23. Микроструктура углеродистой стали. Х100:

в— эвтектондной; г — заэвтектоидной

а— при содержании углерода до 0,025%; б — доэвтектоидной;

Как видно из диаграммы, аустенит может существовать при температурах выше 723° С. При более низких Темпе­ ратурах (ниже 723° С) аустенит превращается в перлит.

Перлит-эвтектоидная механическая смесь пластинок или зерен цементита и феррита. Содержание углерода в перлите 0,8%. Перлит бывает пластинчатый и зернистый.

40

В пластинчатом перлите цементит находится в феррите в виде пластинок, а в зернистом — в виде сфероидов-зе­ рен. Механические свойства перлита зависят от размеров

медленного охлаждения образцов. Сталь с низким содер­ жанием углерода (до 0,025%) состоит из феррита; под микроскопом она имеет вид светлых зерен различной формы и размеров (рис. 23,а).

Стали с содержанием углерода до 0,8% называются доэвтектоидиыми. С повышением содержания углерода в доэвтектоидных сталях появляется все увеличивающееся количество перлита в виде темных участков между свет­ лыми зернами феррита (рис. 23,6). При содержании в стали 0 ,8 % углерода структура представляет собой пер­

лит (рис. 23, в).

В заэвтектоидных сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2 ,0 % в структуре появляется вторичный цементит,

который наблюдается в виде светлой сетки между зерна­ ми перлита. С увеличением содержания углерода коли­ чество вторичного цементита в заэвтектоидной стали воз­ растает. При этом ои сохраняет форму сетки (рис. 23, г).

Микроструктура чугуна зависит не только от химиче­ ского состава, но и от скорости охлаждения при переходе из жидкого состояния в твердое. При быстром охлажде­ нии углерод выделяется в виде цементита, который рас­ полагается между перлитными зернами.

Если углерод в чугуне находится в химически связан­ ном состоянии (в виде цементита), то такой чугун назы­ вается белым. Белый чугун может быть доэвтектическим (2—4,3%С), эвтектическим (4,3%С) и заэвтектическим

(4,3-6,67% С).

Микроструктура белого доэвтектического чугуна (рис. 24,а) состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, а эвтектического (рис. 24,6)—из ледебури­ та. Ледебурит, как известно, образуется в результате эвтектической кристаллизации жидкого чугуна при тем­ пературе 1140° С. В структуре заэвтектического чугуна, кроме ледебурита, имеется первичный цементит, который располагается в основной массе ледебурита в виде свет­

лых игл (рис. 24, в ).

При медленном охлаждении жидкого чугуна углерод из расплава выделяется в виде графита различной фор­

41

мы. Такой чугун называется серым. В серых чугупах гра­ фит может находиться в виде графитных колоний с раз­ личной формой пластинок графита. Если графит имеет шаровидную форму, то чугун называют высокопрочным.

Хлопьевидную форму включений графита имеет ковкий чугун.

На рис. 25 представлена микроструктура серых чугунов с различной формой включений графита. Свойства серого чугуна можно улучшить в результате изменения формы и характера распределения графитных включе­ ний в основной металлической матрице. На практике про­ цесс графитизацин регулируется изменением скорости ох­ лаждения и химического состава чугуна.

Более полные сведения о строении железоуглероди­ стых сплавов приведены в учебниках по металловедению.

42

Рис. 25. Микроструктура серых чугунов с различной формой включений графита. Х100:

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА СВОЙСТВА ч у г у н а И стойкость изложниц

Влияние углерода. Основным компонентом чугуна яв­ ляется углерод, находящийся в сплаве в свободном (в ви­ де графита) и в связанном (в виде цементита) состоянии. Состояние углерода определяет в основном структуру, механические и физические свойства чугуна.

Действующие стандарты устанавливают классифика­ цию и методы определения структуры отливок из серого чугуна по перлиту, графиту и фосфидной эвтектике. Фор-

43

ма и размеры графитных выделений, встречающихся в чутунах, бывают различными: по величине графитные выделения могут быть крупными, средними, мелкими, очень мелкими и точечными; по форме графит может быть прямолинейным или завихренным.

Род и форма графита зависят от условий затвердева­ ния и химического состава чугуна. Чем мельче включе­ ния графита и чем равномерней они распределены, тем лучшими механическими свойствами обладает чугун. Крупные включения графита в значительной мере нару­ шают сплошность металлической основы; чугун с таки­ ми включениями обладает низкими механическими свой­ ствами.

Кристаллическая решетка графита гексагональная. Каждый слой имеет плотную упаковку с малым меж-

атомным расстоянием, равным 0,142 им (1,42 А). Атомы в решетке связаны слабо; это способствует легкому рас­ щеплению кристаллов графита по плоскостям. Кристалл графита представляет собой ряд молекул, расположен­ ных слоями слабо соединенными между собой. Расстоя-

О

ние между слоями 0,34 им (3,4 А). Прочность графита не­ значительна; чем больше графитных включений в чугуне, тем ниже механические свойства чугунных отливок.

Влияние кремния. Кремний способствует разложению карбидов и выделению углерода в виде графита.

Особенно интенсивно выделяется графит в момент пе­ рехода чугуна из жидкого состояния в твердое. В это вре­ мя происходит рост кристаллов. Вследствие небольшой плотности графита плотность сплава понижается, увели­ чивается его объем или, как иногда говорят, чугун при застывании «растет», он как бы разбухает и заполняет все углубления формы, отчетливо и резко передавая ее очертания. Таким образом, кремний, влияя на графитизацию чугуца, способствует хорошему заполнению формы. Влияние кремния на графитизацию тем зна­ чительней, чем выше общее содержание углерода в чугуне.

Влияние марганца. Влияние марганца противополож­ но действию кремния1. Он повышает растворимость угле­ рода в железе и замедляет образование графита. Марга­ нец с углеродом образуют карбид марганца МпзС, яв­ ляющийся аналогом карбида железа-цементита БезС. Следовательно, в структуре чугуна с большим содержа-

44

пнем марганца углерод находится в химически связан­ ном состоянии в виде карбидов железа Fe3C, карбидов марганца Мп3С или в виде двойных карбидов Fe3C-Mn3C;

как правило, такой чугун твердый и хрупкий. Температу­ ра плавления марганца равна 1244°С.

Важным свойством марганца является его способ­ ность соединяться с серой и таким образом парализо­ вать ее вредное влияние. Марганец частично обессерива­ ет чугун. Сера содержится в чугуне в виде сернистого железа FeS. При наличии достаточного количества мар­ ганца сера соединяется с ним, образуя сернистый марга­ нец MnS. Это тугоплавкое соединение (температура плавления 1620° С) в жидком чугуне начинает раство­ ряться только при 1600° С; при более низких температу­ рах оно выделяется, всплывая на поверхность жидкого металла в виде шлака. Марганец оказывает также рас­ кисляющее воздействие на чугун, предохраняя его от вредного воздействия кислорода.

Если в чугуне одновременно присутствуют кремний и марганец, они нейтрализуют друг друга. Кремний спо­ собствует графитизации, а марганец замедляет выделе­ ние графита. При содержании марганца в количестве, превышающем 0 ,8 %, заметно увеличивается усадка чугу­

на и снижается его пластичность. Содержание марганца менее 1 % благоприятно сказывается на механических

свойствах чугунных отливок.

Следует отметить, что даже при сравнительно малой скорости охлаждения изложниц при определенном содер­ жании марганца получается высокодисперсная форма эвтектоида— тонкая механическая смесь кристаллов фер­ рита и цементита.

Влияние фосфора. Литейные чугуны, содержащие фосфор, легко плавятся, в расплавленном состоянии об­ ладают высокой жидкотекучестью, медленно затвердева­ ют и хорошо заполняют самые тонкие части литейной формы. Влияние фосфора на графитообразование в чугу­ не изучено еще недостаточно. При нормальной темпера­ туре (18—20° С) растворимость фосфора в a-железе рав­ на 1,5%; с повышением температуры растворимость уве­ личивается. При значительном содержании углерода фосфор лишь частично находится в твердом растворе; большая его часть выделяется в виде двойной эвтектики (Fe—Fe3P) или в виде тройной эвтектики (Fe—Fe3C— Fe3P).

45

Растворимость фосфора в жидком и твердом чугуне значительно уменьшается с увеличением содержания уг­ лерода. Фосфор уменьшает склонность к образованию усадочных раковин в отливках и повышает сопротивля­ емость чугуна при работе на истирание. При содержании фосфора до 0,4% механические свойства чугуна повыша­ ются; дальнейшее увеличение количества фосфора сни­ жает прочность и придаст чугуну хрупкость.

Отливки, подверженные воздействию высоких пере­ менных термических напряжений, в частности изложни­ цы, не должна содержать более 0,25% Р; в крупных из­ ложницах, отлитых из чугуна с шаровидным графитом, количество фосфора не должно превышать 0 ,1 %.

При большем содержании фосфора на поверхности из­ ложниц образуются трещины уже после небольшого чис­ ла теплосмен. В толстостенных изложницах фосфор кон­ центрируется в участках, кристаллизующихся в послед­ нюю очередь, т. е. в центре стенок отливки. Здесь много раковин; иногда чугун в центре стенки напоминает губ­ чатую массу.

Влияние серы. Сера способствует отбеливанию чугу­ на— углерод не может выделиться в свободном состоя­ нии в виде лепестков графита. Несмотря па низкую тем­ пературу плавления, сернистые чугупы обладают низкой жидкотекучестью и плохо заполняют литейную форму.

В жидком чугуне всегда растворены газы. При пони­ жении температуры кристаллизации чугуна из него вы­ деляются газы. Чугун с повышенным содержанием серы в жидком состоянии густой и малоподвижный — это за­ трудняет выделение газов. Последние, задерживаясь в чугуне, образуют газовые раковины в отливках. Обра­ зованию газовых раковин способствует сернистый газ, появляющийся при соединении серы с растворенным в чугуне кислородом.

Поверхность отливки из сернистого чугуна получает­ ся шероховатой; при остывании такие отливки склонны к образованию трещин. По данным многочисленных иссле­ дований, содержание серы в чугуне для изложниц не должно превышать 0,1 %• При повышенном содержании марганца (в пределах до 1,2 %) количество серы в чугу­

не можно допустить 0,09—0,1 %, так как заметного сни­ жения стойкости изложниц при этом не наблюдается.

46

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ И РАЗМЕРА ГРАФИТНЫХ ВКЛЮЧЕНИИ НА СТОЙКОСТЬ ЧУГУННЫХ ИЗЛОЖНИЦ

Известно, что графит, наблюдаемый в структуре чу­ гуна, слагается из первичного, эвтектического, вторич­ ного и эвтектондпого. Изложницы обычно отливают в разовые песчаные формы, наливные, полупостоянные, в кокиля с обмазками п др. Условия кристаллизации в каждом из этих случаев существенно влияют на строение графитной колонии п металлической матрицы. Поми­ мо этого, размеры и форма графита зависят от содержа­ ния в расплаве мельчайших нсрастворепных включений и примесей, химического состава и условий кристалли­ зации. Ваграночный чугун для заливки изложниц дол­

способствуют модификаторы; в ряде случаев они опре­ деляют образование графитовых включений различной формы. Разовые формы (песчаные или наливные из жидкоподвнжпых самотвердеющнх смесей) отличаются по­ вышенной пористостью и малой теплопроводностью. Для мелких изложниц с небольшой толщиной стенки это име­ ет существенное значение.

Опыт показывает, что для каждого вида изложниц должна быть выбрана оптимальная структура чугуна. Для мелких и средних изложниц оптимальная структу­ ра чугуна: округленная форма графита с феррито-пер­ литной или ферритной металлической матрицей. Для крупных изложниц шаровидная форма графита не обес­ печивает высокой стойкости: в них слитки находятся бо­ лее продолжительное время, изложницы воспринимают больше тепла, стенки нагреваются до более высоких тем­ ператур по сравнению с мелкими.

Для установления оптимальной структуры крупных чугунных изложниц в керамические формы отлили 12 из­

ложниц массой 60 т каждая. Изложницы имели кольце­ вую прибыль высотой 500 мм. После удаления прибыли от каждой изложницы для металлографического иссле­ дования и механических испытаний отрезали диск тол­ щиной 30 мм.

Химический состав, микроструктура перед эксплу­ атацией, стойкость (число наливов) и причины выхода изложниц из строя приведены в табл. 2 ,

47

и продольные тре­ щины

Изложница № 10 отлита из высокопрочного чугуна с

шаровидной формой графита. Изложница подвергалась высокотемпературному отжигу. У этой изложницы пре­ дел прочности при растяжении ств в среднем составляет 480—500 МН/м2 (48—50 кгс/мм2), а относительное удли­ нение 6 = 2—4%. Несмотря на высокие механические

свойства, изложница до образования продольных тре­ щин выдержала лишь 12 наливов.

Следует отметить, что все опытные изложницы, име­ ющие низкое содержание углерода (ниже 3,1 %)> вышли из строя в результате образования трещин.

Многими исследованиями показано, что при содержа­ нии углерода менее 3,2% изложницы склонны к образова­ нию трещин. Поэтому нижний предел содержания угле­ рода рекомендуется ограничивать 3,2%. Значительный перегрев чугуна приводит к частичному растворению взве­ шенных частиц и замедляет образование включений гра­ фита.

В крупных изложницах главными разрушающими факторами являются большие внутренние напряжения и явления ползучести, вызывающие образование микро­ трещин, развивающихся в крупные трещины, что приво-

48

дит к разрушению изложниц. Чем крупнее изложницы, тем значительнее внутренние напряжения и тем больше действуют разрушающие явления ползучести. Вот поче­ му иногда крупные графито­ вые колонии являются свое­ го рода буферами, которые сдерживают, тормозят дей­ ствия ползучести, и в этих изложницах нецелесообраз­ но стремиться к получению мелкого графита. Но графи­ товые колонии не должны быть и слишком крупными, чтобы предотвратить обра­ зование большой сетки раз­ гара.

В крупных изложницах для слитков массой 150— 250 т толщина стенки из­ ложниц иногда превышает 400 мм.

На рис. 26 представлена фотография крупной излож­ ницы после отрезки кольцеі жущем станке.

ОТБОР ПРОБ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРЫ

Существует ряд способов подготовки проб материала изложниц для микро- и макроисследований: предусмат­ ривают специальные приливы, от наружных стенок из­ ложниц полым сверлом отбирают пробы, вырезают дис­ ки из верхней части изложниц, отбирают пробы от раз­ битых под копром изложниц, заливают пробы в формы для получения отливок со стенкой, равной толщине стен­ ки изложницы.

Структура материала стенок изложниц неодинакова по высоте и глубине. Поэтому более точное представ­ ление о структуре дают пробы, высверленные от на­ ружной стенки в разных ее частях. Для разрезки следует использовать изложницы, забракованные по литейным дефектам.