СТРУКТУРА, МЕХАНИЧЕСКИЕ, ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЧУГУНОВ
Основные литейные свойства промышленных чугунов
Получение качественных чугунных отливок во многом зависит от его литейных свойств в жидком состоянии и особенностей процесса перехода из жидкого состояния в твердое. Вместе с тем, поведение металлического расплава при заливке и кристаллизации в литейной форме находятся под влиянием весьма большого числа факторов и зависят от столь разнообразного их взаимодействия, что в общем случае оказывается невозможным разработать надежную совокупность технологических мероприятий, обеспечивающих гарантированно высокое качество отливки, только на основе сведений о физических и физико-химических свойствах сплава и материала литейной формы.
Общепризнанными основными литейными свойствами являются жидкотекучесть, линейная и объемная усадка. Литейные свойства металла определяют с помощью специальных проб, и они являются технологическими свойствами, на основании которых разрабатывают процесс производства отливки. Проявление тех или иных видов дефектов в отливках зависит от соответствующих литейных свойств и принятого технологического процесса производства отливок. Варьируя технологию производства в отдельных случаях можно частично или полностью подавлять дефекты, возникающие в отливках. Особенность технологических свойств чугуна (в отличие от физических и химических свойств) заключается в том, что количественное значение любого технологического свойства напрямую зависит от методики определения.
Понятие «жидкотекучесть» как литейное свойство подразумевает способность жидкого металла заполнять литейную форму и воспроизводить ее внутренние очертания. В соответствии с ГОСТ 16438-70 «Формы песчаная и металлическая для получения проб жидкотекучести металлов», жидкотекучесть определяют по прямолинейной (проба Руффа) или спиральной (проба Кюри) пробе, отливаемой в песчаной или металлической форме. О степени жидкотекучести исследуемого сплава судят по протяженности (в миллиметрах) заполненной части канала технологической пробы. Однако следует иметь в виду, что прямой связи между длиной заполненной части канала и тем, как будет заполняться та или иная форма, изготовленная для заливки конкретных деталей, имеющих самые разнообразные размеры и конфигурацию, не существует.
Значительный интерес при исследовании жидкотекучести представляет механизм остановки движущегося металла в форме. По представлениям И.Б. Куманина движение чугуна в узких каналах происходит следующим образом. Сразу же после заливки формы и понижения температуры чугуна, соприкасающегося с формой, до температуры начала кристаллизации происходит затвердевание чугуна в местах соприкосновения его с литейной формой. В средней части струи чугун в это время находится еще в жидком состоянии, вследствие чего он может продвигаться вперед по каналу формы. Жидкий чугун, продвинувшись вперед и соприкасаясь со стенками формы, вновь охлаждается до температуры кристаллизации. При этом образуется корочка в местах соприкосновения чугуна с формой, внутри которой протекает жидкий чугун. Затвердевший ранее чугун, оказавшись в зоне с меньшей интенсивностью охлаждения, расплавляется. Таким образом, струя чугуна перемещается по каналу формы так, что в передней ее части всегда находится твердая оболочка с центральными отверстиями, которая непрерывно нарастает и расплавляется. Течение чугуна по каналу формы происходит до тех пор, пока гидравлический напор металла достаточен для того, чтобы преодолеть сопротивление возникающей на конце струи сплошной твердой корочки чугуна.
Способность чугуна находиться более или менее длительное время в жидком состоянии имеет решающее влияние на заполнение литейной формы при получении тонкостенных отливок без спаев, незаливов и других дефектов.
Величина жидкотекучести зависит от физико-химических свойств сплава, свойств литейной формы и условий заливки. Основное влияние на жидкотекучесть оказывает теплосодержание чугуна. Чем больше теплосодержание, тем дольше металл находится в жидком состоянии. Влияние теплосодержания на жидкотекучесть определяется теплотой кристаллизации и температурой перегрева. Конечно, решающее влияние на жидкотекучесть оказывает температура перегрева.
Влияние температуры чугуна на жидкотекучесть имеет почти прямолинейную зависимость: чем выше температура чугуна, тем выше жидкотекучесть. При понижении температуры менее температуры ликвидус жидкотекучесть резко падает, что объясняется выделением твердой фазы из расплава.
Многочисленными исследованиями показано, что чугун эвтектического состава с пластинчатым графитом имеет максимальную жидкотекучесть. Зависимость величины жидкотекучести от углеродного эквивалента для чугунов с различным содержанием фосфора, представленная на рис.1.3, показывает, что наличие значительного содержания фосфора позволяет достичь максимальной жидкотекучести в чугунах заэвтектического состава.
Рисунок 1.3 – Зависимость жидкотекучести от углеродного эквивалента для серого чугуна с содержанием фосфора 0,03% (1), 0,05% (2) и 1,0% (3)
Зависимость жидкотекучести чугуна от химического состава качественно одинакова при любой температуре заливки, однако влияние отдельных химических элементов на жидкотекучесть различно. С повышением содержания углерода в чугуне доэвтектического состава увеличивается жидкотекучесть, что, по-видимому, связано с понижением температуры ликвидус, сокращением интервала кристаллизации и приближением чугуна к эвтектическому составу. Аналогичное влияние на жидкотекучесть оказывает кремний - с повышением содержания кремния понижается температура начала кристаллизации чугуна, что приводит к повышению жидкотекучести.
Влияние серы и марганца на жидкотекучесть незначительно. При наличии в чугуне значительного количества серы марганец вступает с ней в соединение, образуя сульфид марганца. Вследствие его тугоплавкости сильно увеличивается внутреннее трение и уменьшается жидкотекучесть.
Влияние таких легирующих элементов, как никель, хром, медь, в тех количествах, в которых они применяются в чугуне с пластинчатым графитом, на жидкотекучесть чугуна незначительно.
Сравнивая имеющиеся в литературе данные по жидкотекучести чугуна с шаровидным графитом, следует отметить, что они носят неоднозначный характер. Так, по мнению, Н.И.Клочнева, при одних и тех же условиях заливки жидкотекучечесть магниевого и серого чугуна практически одинакова. По другим данным жидкотекучесть магниевого чугуна несколько выше. Вероятно, главным источником противоречия является различие химического состава применяемых модификаторов и способы их введения в расплав.
При использовании кальцийсодержащих комплексных модификаторов высокопрочный чугун характеризуется наибольшей жидкотекучестью, причем величина этой характеристики повышается с увеличением массовой доли кальция в модификаторе. Уменьшение жидкотекучести чугуна наблюдается при наличии в составе модификаторов повышенных количеств редкоземельных металлов. Это, вероятно, связано с образованием тугоплавких продуктов реакции церия и других редкоземельных металлов с серой, газами и другими ингредиентами чугуна. Образующиеся соединения, обладая, кроме того, повышенной плотностью, трудно удаляются из жидкого чугуна и, попадая в литейную форму, при прочих равных условиях препятствуют свободному течению расплава, повышая тем самым его вязкость. Пониженную жидкотекучесть модификатора типа Mg-Ca-Si также следует объяснять его составом. Вероятно, фториды, хлориды и оксиды металлов, с участием которых в виде механической смеси изготавливается этот модификатор, попадая в чугун, не успевают в нем полностью раствориться и, как следствие, понижают его жидкотекучесть.
Что же касается влияния отдельных элементов на жидкотекучесть высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, то оно связано также, как и в сером чугуне, с действием той или другой составляющей на степень эвтектичности чугуна, то есть, с интервалом кристаллизации. Для магниевого чугуна рекомендуется принимать, что влияние 0,1% С на жидкотекучесть соответствует влиянию 0,2% Р и 0,3% Si. Углерод и кремний увеличивают жидкотекучесть магниевого чугуна до углеродного эквивалента 4,5-4,6%, а дальнейшее увеличение их содержания приводит к уменьшению жидкотекучести. При увеличении фосфора жидкотекучесть магниевого чугуна возрастает более интенсивно, чем серого.
Заэвтектические магниевые чугуны имеют повышенную жидкотекучесть по сравнению с серыми вследствие торможения выделения в них графита. Это подтверждается микроструктурой и отсутствием выделения смеси в заэвтектических магниевых чугунах.
Уменьшение объема чугуна, залитого в форму, от момента ее заполнения до конца охлаждения сформировавшейся отливки принято называть усадкой. Различают линейную усадку (EЛ=(lФ – lО)/lО*100, %) и объемную усадку (EОБ=(VФ – VО)/lО*100, %). Здесь lФ и VФ, соответственно, линейный размер и объем формы, lО и VО – размер и объем отливки.
Усадочные явления, протекающие при охлаждении чугуна, определяются как составом чугуна, от которого зависят температурный интервал кристаллизации и характер фазовых и структурных превращений, так и интенсивностью охлаждения чугуна. Для серого чугуна и чугуна с шаровидным графитом характерны следующие этапы линейной усадки: предусадочное расширение, доперлитная усадка, расширение при перлитном превращении и послеперлитная усадка. При охлаждении белого чугуна отсутствует предусадочное расширение и расширение при перлитном превращении.
При кристаллизации серого чугуна, сопровождающейся выделением сравнительно большого количества графита, плотность которого примерно в три раза меньше, чем плотность аустенита, коэффициент линейной усадки колеблется от 0,9% до 1,3%. По этой причине в отливках, как правило, не возникает горячих трещин, уменьшается пористость, не образуются сосредоточенные усадочные раковины и т.п.
В белом чугуне, где высокоуглеродистая фаза представлена более плотным цементитом, усадка больше и составляет 1,5-2,0%. По сравнению с серым чугуном склонность к образованию усадочных дефектов в белом чугуне заметно увеличивается.
Несмотря на то, что химический состав ВЧШГ близок к серому чугуну, процесс усадки при затвердевании чугуна с шаровидным графитом отличается от аналогичного процесса, протекающего в сером чугуне. Образование вместо пластинчатых шаровидных включений графита существенно влияет на характер протекания эвтектического превращения. Углерод на стадии одновременной кристаллизации графита и аустенита поступает к графитному включению не из жидкой фазы, как это происходит в сером чугуне, а через аустенитную оболочку. Это основная причина значительного переохлаждения жидкой фазы, наблюдаемого при эвтектическом превращении в ЧШГ. При относительно глубоком переохлаждении жидкости начинается кристаллизация цементитной эвтектики с последующим ее распадом в результате самоотжига на графит и аустенит. Поэтому иногда в отливках из чугуна с шаровидным графитом появляются даже сосредоточенные усадочные раковины, что нехарактерно для отливок из серого чугуна с примерно одинаковым углеродным эквивалентом.
Помимо этого, исследователями отмечается значительное предусадочное расширение чугуна с шаровидным графитом (рис. 1.4).
Рисунок 1.4 – Изменение коэффициента линейной усадки Кl при охлаждении белого чугуна (1), серого чугуна (2) и чугуна с шаровидным графитом (3)
Оно, вероятно, обусловлено рядом причин, одна из которых - образование цементитной фазы в тонкой корке твердого металла. Корка, образующаяся в результате ускоренного теплоотвода от жидкого металла в холодную форму, обеспечивает высокий нагрев поверхности последней. В результате этого скорость теплоотвода падает, а интенсивность кристаллизации снижается. Наступающий затем распад цементита в корке увеличивает ее объем, что фиксируется как предусадочное расширение. Считается, что появление сосредоточенных усадочных раковин в отливках из ЧШГ - следствие предусадочного расширения, поскольку увеличение объема внутри корки не компенсируется притоком жидкого металла. Предусадочное расширение не проявляется, естественно, при затвердевании расплава в неподатливых формах.
При отливке деталей со сложной конфигурацией литейная форма в подавляющем большинстве случаев состоит из стержней, имеет различные выступающие части, которые вместе со стержнями создают определенные затруднения протеканию усадки. Механическое торможение линейной усадки, обусловливаемое литейной формой, существенно влияет на величину предусадочного расширения и величину доперлитной усадки. При торможении усадки в отливке возникают внутренние напряжения, которые могут превысить прочность металла при данной температуре. В этом случае в отливках образуются горячие трещины. Сравнительные данные по усадке серого, белого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом приведены в табл.1.19.
Таблица 1.19 – Объемная и линейная усадка различных видов чугунов, %
Следствием уменьшения объема чугуна при охлаждении в жидком состоянии и при кристаллизации является поражение отливок усадочными раковинами или усадочной пористостью. В зависимости от состава чугуна изменяется характер усадочных процессов, протекающих при охлаждении отливки, который определяется интенсивностью охлаждения отливки и процессом затвердевания. Различают последовательное и объемное затвердевание чугуна. Последовательное затвердевание характерно для чугуна близкого по составу к эвтектическому, имеющему малый температурный интервал затвердевания. Объемное затвердевание характерно для чугуна доэвтектического состава, имеющего значительный интервал затвердевания. Для последовательного затвердевания свойственно образование ярко выраженной усадочной раковины. При объемном затвердевании жидкость оказывается замкнутой между кристаллами, что затрудняет питание отливки и, как следствие, по всему объему отливки образуется усадочная пористость.
Степень поражения отливок усадочными дефектами в немалой степени зависит от количества выделенного углерода в виде графита и от продолжительности его выделения. Процесс выделения графита при охлаждении чугуна, обработанного магнием, не оказывает существенного влияния на уменьшение объема усадочных раковин.
Этот процесс происходит частично до эвтектической кристаллизации, в период, когда формирование усадочных раковин еще не началось, и частично в твердом состоянии, когда процесс формирования усадочных раковин уже закончился. Частичный же рост графита, происходящий в период эвтектической кристаллизации, не может полностью компенсировать происходящей усадки чугуна.
Чугун с шаровидным графитом более склонен к образованию сосредоточенных усадочных раковин и сосредоточенной усадочной пористости. Наибольший объем сосредоточенных усадочных раковин образуется в чугуне, близком к эвтектическому составу, имеющем очень узкий температурный интервал кристаллизации. Объем усадочных раковин в отливках из чугуна с шаровидным графитом зависит в значительной степени от углеродного эквивалента. В заэвтектическом чугуне объем сосредоточенных усадочных раковин увеличивается по мере уменьшения углеродного эквивалента, достигая максимальной величины у чугуна, имеющего состав, близкий к эвтектическому. Уменьшение углеродного эквивалента в доэвтектическом чугуне приводит к уменьшению объема сосредоточенных усадочных раковин.
Ликвационные явления, то есть, неравномерное распределение элементов в отливках, характерны в основном для кремния, марганца, фосфора и серы. В результате этого процесса образуется химическая неоднородность в отдельных частях отливки (зональная ликвация) или в отдельных кристаллах (внутрикристаллитная ликвация). Помимо ликвации химических элементов в чугуне наблюдается ликвация по плотности.
Различают прямую и обратную ликвации. При прямой зональной ликвации химические элементы перемещаются от периферии к центру отливки. При обратной зональной ликвации химические элементы перемещаются от центра к периферии. При прямой внутрикристаллитной ликвации концентрация ликвирующего элемента возрастает в кристаллите от центра к периферии, а при обратной ликвации - от периферии к центру. В целом наибольшее влияние на свойства чугуна и качество отливок оказывает зональная ликвация элементов. Степень зональной ликвации элементов чугуна зависит от многих факторов, в том числе от состава, температуры чугуна и скорости охлаждения.
Ликвация углерода в чугуне может быть зональной и межкристаллитной, прямой и обратной, при этом чугун с шаровидным графитом имеет большую склонность к зональной и дендритной ликвации, чем чугун с пластинчатым графитом. В чугуне заэвтектического состава углерод обладает наибольшей ликвирующей способностью. В чугуне, обработанном магнием, углерод ликвирует в междендритные пространства, содержание его во внутренних зонах дендритов значительно меньше. В чугуне с низким содержанием углерода и кремния наблюдается прямая ликвация кремния, а при высоком содержании этих элементов наблюдается обратная ликвация кремния. Концентрация кремния в дендритных ветвях достигает 2,2%, между ветвями дендритов - 1,35%, а на границах эвтектических колоний, затвердевающих последними - до 1% при среднем содержании кремния в чугуне 1,83%. Примечательно, что в чугуне, обработанном магнием, кремний распределен также неравномерно, как и в сером чугуне.
Вследствие низкой температуры затвердевания фосфидной эвтектики и в результате усадочных процессов фосфидная эвтектика иногда выжимается на поверхности отливки. С увеличением скорости кристаллизации внутрикристаллитная ликвация фосфора уменьшается.
Ликвацию серы часто наблюдают в чугунах, обработанных магнием. Это, видимо, связано с тем, что образовавшиеся в значительном количестве сульфиды магния всплывают на поверхность отливки.
В результате взаимодействия чугуна с газовой средой происходит растворение газов в чугуне, что приводит к образованию различных химических соединений этих газов с элементами, входящими в состав чугуна. При избыточном содержании газов в чугуне они выделяются из раствора в виде газовых пузырей, которые могут всплыть на поверхность отливки либо остаться внутри в виде газовых раковин, газовой пористости или неметаллических включений.
Основными газами, находящимися в чугуне перед заливкой в форму, являются водород, кислород и азот. Кроме того, большое количество газов образуется в результате нагревания форм и стержней при соприкосновении с жидким металлом. Часть этих газов обязательно попадает в чугун, в результате чего общее количество газов в металле возрастает.
Содержание кислорода в чугуне колеблется в довольно широких пределах и зависит от состава чугуна, чистоты исходных шихтовых материалов, процесса выплавки и разливки, способа внепечной доводки чугуна, введения сфероидизирующих присадок, длительности вылеживания отливок в атмосферных условиях и других факторов. При понижении содержания кремния и углерода, при влажном воздухе и окисленной шихте, содержание кислорода в чугуне повышается. Обработка магнием и церием с целью получения графита шаровидной формы значительно снижает содержание кислорода в чугуне. Поглощение кислорода чугуном происходит и в твердом состоянии, при этом, чем дольше находится чугун в атмосферных условиях, тем больше кислорода он поглощает. Кислород в чугуне находится главным образом в виде оксидов магния, марганца, кремния, алюминия и углерода, а также в растворенном виде в металлической основе чугуна. В процессе кристаллизации чугуна большое количество СО и СО2 освобождается, что при определенных условиях может привести к образованию газовых раковин.
Азот может находиться в чугуне в растворенном и свободном молекулярном состоянии, а также в виде химических соединений с кремнием, марганцем и хромом. Азот влияет на размеры и форму графитовых включений, металлическую основу чугуна. Повышенное содержание азота в чугуне приводит к укорочению и утолщению пластинок графита и к уменьшению их завихренности. С увеличением содержания азота в чугуне с пластинчатым и шаровидным графитом увеличивается количество перлита в металлической основе. В ковком чугуне азот приводит к уменьшению количества и размеров включений графита. В чугуне, обработанном магнием и церием, содержание азота снижается примерно в 2 раза по сравнению с исходным чугуном.
При кристаллизации серого чугуна водород способствует образованию первичных и эвтектических карбидов и их стабилизации. Наличие водорода в чугуне замедляет графитизацию и образование феррита. Вместе с тем, в промышленных чугунах содержание водорода оказывается достаточно низким, чтобы влиять на формирование газовых раковин.