Ликвация чугуна
Чугун, как и другие сплавы, в большей или меньшей степени склонен к ликвации. В зависимости от характера образующейся химической неоднородности, ликвация, как известно, может быть внутрикристаллитной (дендритной) или зональной.
Дендритная ликвация чугуна является следствием избирательного затвердевания, ограниченности диффузии и недостаточности времени для установления равновесия между кристаллами твердого раствора и жидкой фазой. Она определяется соотношением скоростей кристаллизации и диффузии. Наибольшей склонностью к дендритной ликвидации отличаются углерод, сера, фосфор, кислород, т. е, элементы, образующие с железом большой интервал кристаллизации.
Так как диффузия и выравнивание состава кристаллов происходят с определенной скоростью, то очевидно, что ликвация будет тем сильнее выражена, чем меньше коэффициент диффузии элемента и больше скорость охлаждения. При этом концентрация лидирующего элемента в кристаллите возрастет от центра к периферии, поэтому среднее содержание его всегда меньше равновесного. Подобная ликвидация может быть заметно уменьшена благодаря диффузии при длительной выдержке при высоких температурах диффузионный отжиг. Однако полностью уничтожить эту неоднородность практически не удается.
Особенно большое значение по своим последствиям (ухудшение свойств чугуна) имеет зональная ликвация чугуна, создающая разницу в составе различных слоев или частей отливки. Она развивается тем сильнее, чем медленнее охлаждение, и не может быть уменьшена диффузионным отжигом.
Зональная ликвация чугуна вызывается различными причинами в разные периоды охлаждения и затвердевания чугуна: 1) расслоением в жидком состоянии, 2) перемещением твердых фаз под влиянием разницы в уд. весе (ликвация по удельному весу), 3) перемещением жидких фаз и процесса кристаллизации. В зависимости от направления этого перемещения ликвация чугуна может быть прямой, обратной и газовой.
Основными причинами зональной неоднородности в чугуне являются перемещения твердых или жидких фаз в процессе кристаллизации. Ликвация по удельному весу чаще всего определяется всплыванием более легких включений (графит, сульфиды). Перемещения же жидкой фазы в процессе кристаллизации происходит под влиянием атмосферного и гидростатического напора, давления газов, давления вследствие графитизации и усадки и т. д. При этом ликваты, по теории В. И. Добаткина, перемещаются либо к центру (прямая ликвация), либо к периферии (обратная ликвация), либо к полости раковин (газовая ликвация). Например, уже давно замечено, что углерод и фосфор, концентрируясь в быстро охлаждающихся наружных частях отливок, образуют обратную ликвацию. Отливки имеют при этом шероховатую поверхность, покрытую каплями металла (рис. 128). Такая ликвация часто затрудняет механическую обработку отливок.
Существует много теорий, пытающихся объяснить явление обратной ликвация. Наиболее вероятно, что капли ликвата выдавливаются на поверхность отливок из центральной, незатвердевшей еще части. Это давление может быть вызвано усадкой, процессом графитизации, газами и т. д. Выдавливание облегчается при наличии трещин, пор, междендритных прослоек и зазора, образующегося между отливкой и формой. Некоторые из указанных причин (большая усадка, наличие зазора, графитизация и др.) значительно облегчают образование обратной ликвации в кокильном литье.
а) Влияние состава чугуна. Из элементов, встречающихся в чугуне, наибольшей склонностью к ликвации как дендритной, так и зональной, обладают сера, фосфор и углерод (табл. 12). Особенно большое значение имеет зональная ликвация серы по удельному весу.
Образующийся в чугуне МnS обладает низким удельным весом и всплывает наверх, обогащая верхние части отливок серой и марганцем. Этот процесс наблюдается еще в жидком чугуне. При этом чем больше содержание. ликвидирующих элементов, тем больше ликвация.
Рис. 128. Обратная ликвация чугуна в отливке валка.
По некоторым исследованиям, разница в содержании углерода вверху и внизу чугунных подушек доходит до 0,27%. Подобная ликвация углерода, и в особенности серы, может настолько понизить свойства чугуна, что по месту ликвации происходит разрушение отливок, как это показал А. М. Бочвар при исследовании водопроводных труб. К обратной ликвации особенно склонны углерод и фосфор. При этом состав ликватов (корольков на поверхности отливок) иногда близок к фосфидной эвтектике.
Таблица 12. Обратная ликвация в чугунных отливках.
б) Влияние конструкции отливки. Поскольку ликвидация в значительной мере зависит от скорости охлаждения, конструкция отливки оказывает на нее заметное влияние. Чем крупнее отливка, чем больше ее толщина, тем медленнее происходит охлаждение тем больше развита зональная ликвидация и тем меньше - дендритная. Так, например, в 20 и 30 мм контрольных чугунных брусках не найдено было никакой зональной ликвации серы, но она была обнаружена в бруске диаметром 40 мм. При сочетания тонких и толстых частей в отливки ликваты концентрируются в толстых частях, охлаждающихся медленнее.
Поэтому, с точки зрения борьбы с ликвацией и ее вредным влиянием, целесообразно конструировать чугунные отливки по принципу равномерного затвердевания, если они заливаются без верхних прибылей. В противном случае более целесообразной окажется конструкция отливки по принципу направленного вверх затвердевания. В этом случае ликваты постепенно вытесняются или поднимаются в наиболее толстые части отливки и, наконец, в верхнюю прибыль.
в) Влияние технологии формовки и заливки. Влияние технологии формовки и заливки принципиально аналогично влиянию конструкции отливки. Все мероприятия, способствующие медленному охлаждению и созданию направленного затвердевании, благоприятствуют развитию зональной ликвации.
При этом нормальная зональная ликвация развивается в значительной мере при применении песочных форм. Обратная ликвация, как было указано выше, наблюдается в большей степени при кокильном литье. Следует отметить, что заливка сверху способствует ликвационным явлениям в большей мере, чем заливка сифоном, как это, например, видно из следующих данных по ликвации серы в 40-мм чугунном бруске:
По той же причине зональной ликвации способствуют высокая температура и большая скорость заливки. Во всех случаях направленного затвердевания целесообразно применение прибылей на верхних частях отливки для восприятия ликватов. Ту же роль, но в меньшей степени, играют припуски на механическую обработку.