Жидкотекучесть чугуна

Жидкотекучесть чугуна

Высокая жидкотекучесть чугуна, как показали современные исследования, определяют не только его способность заполнять форму и воспроизводить самые тонкие ее очертания, но также, способствует хорошему питанию отливок и беспрепятственному удалению газов из металла, что уменьшает опасность получения пороков (усадочных и газовых раковин, пористости, горячих трещин и т. д.).

Экспериментально жидкотекучесть определяется измерением пути, проходимого металлом в форме (рис. 77). Аналитическое определение жидкотекучести очень сложно, так как оно зависит от многих факторов: физических свойств металла, условий теплопередачи, конструкции отливки, технологии форм и т. д. Поэтому формулы, предложенные для определения жидкотекучести, имеют приближенный и качественный характер. Например, формула Ю. А. Нехендзи в несколько измененном виде представляется следующим образом:

(73)

Где v - средняя скорость движения металла в форме, t м/сек; τ - время течения; R - приведенная толщина отливки или пробы на жидкотекучесть.

Рис. 77. Пробы на жидкотекучесть.

а - спираль; б - проба; в - брусок; г - гребешок; д - пластины.

d - уд. вес металла, г/см³; k - коэффициент теплоотдачи, кал/см/сек °С; с - теплоемкость металла, кал/² °С; t_ж - t₀ - перегрев над температурой нулевой текучести; m - относительное количество твердой фазы, при котором наступает нулевая текучесть; I - скрытая теплота кристаллизации, кал/г; t_м - t_ф - переменная разность температур между металлом и формой;
k и k₁ - коэффициенты пропорциональности.

Согласно этой формуле, жидкотекучесть чугуна (X) тем выше, чем больше скорость движения металла в форме (v)₁, чем больше его теплосодержание по отношению к температуре нулевой текучести (dc(t - t₀) + dmL), чем больше приведенная толщина отливки (R) и тем меньше интенсивность отвода тепла через форму (α (t_м - t_ф). При этом главную роль играет период движения металла в форме до достижения температуры ликвидуса. Жидкотекучесть же в периоде кристаллизации имеет относительно небольшое значение, в особенности при высоких температурах заливки и нормальном давлении.

Как видно из формулы (73), жидкотекучесть определяется в основном условиями теплообмена между металлами и формой. Изменение физических свойств жидкого чугуна, его вязкости и поверхностного натяжения, оказывает значительно меньшее влияние на жидкотекучесть, чем условия теплопередачи. Динамическая вязкость чугуна, как и большинства других металлов, сравнительно мало отличается от вязкости воды, но значительно отличается от вязкости шлаков:

Это приводит к соответствующему увеличению числа (критерия) Peйнольдса:

Re =  v/у = 4 R v/у (74)

где v - средняя скорость движения металла в канале; у – коэффициент кинематической вязкости; D - диаметр круглого канала или, в общем виде, учетверенный гидравлический радиус (4R)₁.

С увеличением числа Рейнольдса связано уменьшение потерь при движении металла. Таким образом, уменьшение коэффициентов вязкости  увеличивает, при прочих равных условиях, число Рейнольдса и повышает жидкотекучесть чугуна. Однако это в полной мере справедливо, главным образом, для ламинарного потока, который практически никогда но осуществляется при движении чугуна в форме.

Действительно, ламинарный поток, как известно возможен при Re < Re_кp .Принимая для чугуна, как и для других жидкостей Re_кр равным 2360, определим критическую скорость движения чугуна в форме:

(75)

Рис. 78. Вязкость серого (сплошные линии) и белого (пунктирные линии) чугунов.

Легко подсчитать, что  даже в самых тонкостенных отливках при R = 0,125 см (толщина стенки 2.5 мм) критическая скорость движения составляет только 13,5 - 27,0 см/сек, что значительно меньше обычной фактической скорости.

Рис. 78. Вязкость серого ( сплошные линии) и белого (пунктирные линии) чугунов.

При турбулентном же движении зависимость потерь от числа Рейнольдса выражается в сравнительно небольшой степени. Поэтому изменение вязкости чугуна оказывает па жидкотекучесть ограниченное влияние.

Величина коэффициентов вязкости зависит от многих факторов и прежде  всего, конечно, от температуры и состава жидкого чугуна. Как покапывают литературные данные (рис. 78), вязкости чугуна уменьшается с повышением температуры и содержания углерода, причем у серого чугуна она больше, чем у белого. Это объясняется большим количеством субмикроскопических включений графита в сером чугуне и подтверждается тем, что при выдержке жидкого чугуна. При постоянной температуре скорость его уменьшается (графит переходит в раствор). По этой причине модифицирование чугуна путем присадки ферросилиции увеличивает вязкость.

Рис. 79. Влияние углерода, кремнии, марганца, серы и фосфора на относительную вязкость жидкого чугуна.

а - при постоянном перегреве; б - при постоянной температуре.

Выдержка жидкого чугуна после модифицирования, наоборот, способствует удалению или растворению включений и уменьшает вязкость. Влияние элементов на вязкость чугуна изучено в очень малой степени. Имеющиеся литературные данные показывают, что кремний, марганец и фосфор уменьшают вязкость чугуна, если вести испытание при одинаковом перегреве над ликвидусом (рис. 79, а). Тем более, конечно, и еще резче уменьшается вязкость е повышением концентрации этих элементов, если делать сравнение при постоянной температуре рис. 79, так как при этом понижается температура ликвидуса и, следовательно, повышается относительный перегрев над ликвидусом. Сера наоборот, повышает вязкость чугуна. Что касается поверхностного натяжения жидкого чугуна, то оно сравнительно велико  и согласно И. Л. Кукину н Ю. Л, Клячко, Зауэрвальду и др. повышается с температурой (по крайней мере в исследованном интервале:

При уменьшении содержания углерода до 2.2% поверхностное натяжение чугуна увеличилось до 1500 при 1420°. Таким образом, уменьшение содержания углерода, связанное с повышением температуры плавления чугуна, увеличивает его поверхностное натяжение. Понижено же содержания фосфора уменьшает поверхностное натяжение. Между тем она элемента (С и Р) оказывают благоприятное влияние на жидкотекучесть чугуна. Из этого следует, что поверхностное натяжение, как н вязкость, в большинстве случаев появляется определяющим фактором для жидкотекучести. Действительно, добавочный напор, необходимый для преодоления сил поверхностного натяжения чугуна, определяется по формуле,

h = 2τ/rd = 2×1/r × 6.9 = 0.3/r (76)

где r - радиус канала; d - уд. вес жидкого чугуна, принятый равным 6,9 г/см³, τ - поверхностное натяжение, принятое равным 1000 дин/см ~ 1 г/см. Для обычных толщин отливок добавочный напор не играет, следовательно, значительной роля, и только при заполнении острых граней или углов высокое поверхностное натяжение может представить большое препятствие. Существенное влияние в этом отношении может оказать сманивание мета ялом стенок формы и стержней, что определяется силами взаимодействия между чугуном и формовочной смесью. Как правило, чугун не смачивает стенок формы, но при наличии растворимых окислов начинается тогда положительное взаимодействие между чугуном и формой, т. с наступает явление смачивания. Оно способствует заполнению острых граней и углов, но три этом следует опасаться, чтобы при возрастании сил взаимодействия между металлом и формой не начались соответствующие химические реакции, которые способствуют образованию пригара.

Таким образом, влияние поверхностного натяжения на жидкотекучесть чугуна весьма ограничено. Гораздо большее значение имеют оксидные пленки или включения в чугуне, представляющие уже серьезные препятствия для течения металла.

а) Влияние температуры заливки. С повышением температуры заливки увеличиваются теплосодержание, а следовательно, и жидкотекучесть чугуна. Влияние этого фактора настолько велико, что температура заливки является главной переменной, изменением которой достигается необходимая жидкотекучесть чугуна для заполнения разных форм.

В среднем можно принять, что при повышении температуры заливка на 10°, длина спирали сечением 50 мм увеличивается на 4 см. Такая зависимость между жидкотекучестью и температурой подтверждается большинством исследований. При этом в некоторых случаях, как то впервые показал Ю. А. Нехеидзи, обнаруживается закономерная тенденция к уменьшению влияния температуры по мере увеличения перегрева (рис. 80, кривая 2).

С уменьшением температуры заливки жидкотекучесть падает. Это особенно заметно при понижении температуры ниже ликвидуса вследствие выделения твердой фазы в интервале кристаллизации. По той же причине падает жидкотекучесть чугуна при температурах, близких к ликвидусу, в результате образования зародышей на основе колебания плотности и температур в жидком чугуне.

Рис. 80. Влияние температуры заливки на жудкотекучесгь чугуна.

1 - Гиршович; 2 - Нехеидзи и Хахалин; 3 - Циглер; 4 – Эндрю.

б) Влияние состава чугуна. Исследования А. А. Бочвара и др. ясно доказали связь между жидкотекучестью сплава и его положением на диаграмме состояния. Максимальная жидкотекучесть чугуна при постоянном перегреве над ликвидусом (истинная жидкотекучесть по терминологии Ю, А. Нехендзи) соответствует эвтектическому составу. Такая зависимость объясняется характером первичной кристаллизации. Чугун с большим интервалом затвердевания склонен к более развитой дендритной кристаллизации. Образующиеся на стенках
канала и внутри движущейся струи чугуна первичного аустенита уменьшают жидкотекучесть металла.

Кроме того, они способствуют более интенсивному теплоотводу. Поэтому достаточно уже 10 - 20% твердой фазы, чтобы течение чугуна стало невозможным, в то время как в эвтектическом чугуне значение коэффициента т в формуле (73) достигает 30%. В связи с этим малоуглеродистый чугун, располагающийся близко к границе между сталью и чугуном (около 2,0% С), характеризуется минимальной истинной жидкотекучестью. Наоборот, эвтектический чугун отличается наибольшей истинной жидкотекучестью. Тем более, следовательно, велика так называемая практическая жидкотекучесть эвтектического чугуна (жидкотекучесть при постоянной температуре), так как с приближением к эвтектическому составу температура ликвидуса понижается и относительный перегрев над ликвидусом увеличивается. Поэтому многие исследования показывают, что углерод, кремний, фосфор и марганец повышают практическую жидкотекучесть в до эвтектическом чугуне и понижают ее в за эвтектическом чугуне (рис. 81). Ошибочно думать, что для повышения жидкотекучести можно беспредельно увеличивать концентрации углерода, кремния и фосфора. Оптимальная жидкотекучесть получается при эвтектическом составе. Свыше эвтектического содержания углерода, кремния и фосфора жидкотекучесть падает.

Рис. 81. Влияние углерода, кремния, фосфора и марганца на практическую жидкотекучесть чугуна.

Как видно из рис. 81, не все эвтектические чугуны характеризуются одинаковые жидкотекучестью. Например, с увеличением содержания кремния в эвтектических чугунах жидкотекучести падает, а с увеличением содержания фосфора переходит через минимум, соответствующий составу 4% и 1% р. Поэтому для получения наибольшей жидкотекучести кажется целесообразным пользоваться эвтектическим чугуном с максимальным содержанием углерода, в особенности при высоких температурах заливки. Рис. 81. Влияние углерода, кремния, фосфора и марганца на практическую жидкотекучесть чугуна

При низких температурах заливки высокое содержание фосфора в эвтектическом чугуне может оказаться более благоприятным, чем соответствующее количество углерода, так как фосфор понижает эвтектическую температуру. Кроме того, фосфор понижает вязкость чугуна и повышает смачиваемость металлом Стенок формы, вследствие чего получаются более острые грани на отливках. Поэтому для тонкого и художественного литья пользуются чугуном с повышенным содержанием фосфора (до 1.0%).    

Следует отметить, что с увеличением содержания кремния в чугуне наблюдаются два максимума (0,3 и 0.75%) и два минимума (0,5 и 0,95%) на кривых практической жидкотекучести (рис. 81), Эти аномалии не получила еще должного объяснения и нуждаются в подтверждении. При очень высоком содержании кремния (6-18%) жидкотекучесть чугуна снижается вследствие образования большого количества включений и спели в чугуне. Все же при эвтектическом составе и этот чугун обладает еще достаточно хорошей жидкотекучестью, обеспечивающей заполнение сравнительно тонкостенных отливок.

Влияние марганца аналогично влиянию кремния и фосфора, но значительно меньше по интенсивности. При наличии же высокого содержания серы марганец, образуя, резко понижает жидкотекучесть чугуна, что приводит к большому браку по недоливам и спаям.

В отношении влияния серы на жидкотекучесть маломарганцовистого чугуна существует мало систематических исследований. Практические наблюдения и некоторые литературные данные убедительно говорят о повышении вязкости и понижении жидкотекучести чугуна с увеличением содержания серы свыше 0,18%.

Сведения о влиянии легирующих элементов на жидкотекучесть чугуна чрезвычайно скудны и ограничиваются, главным образом, качественной оценкой. Исследования П. Г. Петрова установили, что никель не оказывает заметного влияния на жидкотекучесть. В противоположность никелю, медь действует на жидкотекучесть чугуна явно положительно. Хром же понижает жидкотекучесть, в особенности при содержании свыше 1%.

Это влияние хрома объясняется повышением температура ликвидуса в хромовом чугуне и образованием оксидных пленок. Также неблагоприятно действует молибден, ванадий, алюминий и др. Однако при малых концентрациях влияние этих элементов на жидкотекучесть чугуна мало заметно.

в) Влияние жидкого состояния чугуна. Жидкое состояние чугуна также оказывает некоторое влияние на его жидкотекучесть. Так, например, некоторые исследования показывают, что с увеличением температуры перегрева чугуна жидкотекучесть его повышается даже в том случае, когда температура заливки остается без изменения. Объяснение этого явления следует искать в растворении всякого рода микроскопических и субмикроскопических твердых фаз (в том числе графита) при увеличении  перегрева чугуна, что приводит к повышению жидкотекучести. Таким образом, температура перегрева чугуна действует в том же направлении, что и температура заливки.

Рис.82. Влияние температуры перегрева и заливки чугуна на жидкотекучесть.

1 - температура перегрева 1650 ,температура заливки 1540; 2 - температура перегрева 1540 , температура заливки 1540; 3 - температура перегрева 1540, температура заливки 1430; 4 - температура перегрева 1430, температура заливки 1430.

По той же причине модифицирование, повышая вязкость жидкого чугуна, несколько понижает его жидкотекучесть. Например, в некоторых исследованиях было обнаружено, что при присадке длина спирали при измерении жидкотекучести уменьшилась с 62 до 46 см. С другой стороны, присадка соды или сложных модификаторов увеличивает жидкотекучесть, если при этом не происходит понижения температуры. Это объясняется очищением металла от включении благодаря образованию легкоплавких соединений.

Так как "наследственные" свойства чугуна определяются устойчивым содержанием газов и неметаллических включения я формой графита в исходных материалах, то естественно, что и жидкотекучесть чугуна определяется в известной мере происхождением сырых материалов. Так, например, в исследованиях П, П. Берга и Н. В. Димитриева было найдено.

Эти данные, однако, нельзя рассматривать как постоянные. При изменении условий плавки изменяется и жидкотекучесть чугуна. Всякое увеличение количества газов и включений, а также укрупнение выделений графита в шихтовых материалах, уменьшают жидкотекучесть. Точно так же и многократный переплав чугуна в вагранке, как показали П. П. Берг и Н. В. Димитриев, может привести к уменьшению его жидкотекучести вследствие насыщения металла газами и включениями:

По той же причине увеличение содержания стали в шихте уменьшает жидкотекучесть чугуна даже в том случае, когда состав металла (судя по обычному химическому анализу) остается без изменения. Наоборот, плавка на древесноугольном, а также на специально перегретом в жидком состоянии чугуне повышает жидкотекучесть.

Согласно исследованиям Ю. А. Шульте на заводе "Коммунар" присадка руды в электропечь для создания окислительного характера шлаков с целью ошлакования включений кремнезема в металле повышает жидкотекучесть и необходима для хорошего заполнения тонкостенных отливок.

г) Влияние технологии формы. Жидкотекучесть чугуна определяется в значительной мере конструкцией отливки, сопротивлением формы и тепло-физическими константами ее материала. Очевидно, что факторы, повышающие сопротивление движению металла в форме и ускоряющие охлаждение, уменьшают время его течения и понижают жидкотекучесть.
Исследования автора показали, что с повышением влажности формовочной смеси до 6% и содержания угля до 7% жидкотекучесть чугуна сначала увеличивается, а затем падает (рис. 83)  и заливки чугуна на жидкотекучесть.

Рис. 83. Влияние влажности и содержания угля в формовочной смеси на жидкотекучесть малокремнистого чугуна.

Благоприятное влияние небольших добавок влаги и угля объясняется созданием паровой пли газовой рубашки между металлом    и    стенками формы.    По этой же причине, как показали  В.И.Фундатор  и  М. М. Левин, жидкотекучесть повышается при покрашенной графитом форме, при добавке мазута (до 2%) в формовочную смесь и при применении припылов. При большой же влажности формовочной смеси или высоком содержании в ней газ отвори их веществ жидкотекучесть чугуна резко понижается вследствие обильного парообразования, что не только ускоряет охлаждение чугуна, но и повышает сопротивление его движению в форме.

Состав формовочных смесей влияет также на поверхностное натяжение чугуна и способность его давать острые грани на отливках. В этом отношении оказываются полезными органические добавки всякого рода, вследствие чего формовка в стержнях дает хорошее заполнение тонких сечений и ясные очертания на отливках.

С другой стороны, применение металлических форм, как это видно из некоторых литературных данных (рис. 84), значительно уменьшает жидкотекучесть чугуна вследствие повышенной теплоотдачи. Подогрев же формы действует, как показали опыты Н. Н. Рубцова и др., в обратном направлении. Некоторое влияние на жидкотекучесть имеет также гидростатический напор. Опыты показали, что повышение высоты стояка на 100 мм увеличивает длину спирали сечением 50 мм² с 200 до 250 см. Согласно же исследованиям автора, увеличение гидростатического напора до 180 мм повышает жидкотекучесть чугуна; дальнейшее увеличение напора действует уже в обратном направлении вследствие охлаждения металла при движении по длинному стояку. Однако такое образование максимума характерно только для тонких сечений, в том числе для проб на жидкотекучесть, когда количество металла, заполняющее собственно форму, мало по сравнению с металлом литниковой системы. В других условиях стояк успевает хорошо прогреться и не действует столь отрицательно на жидкотекучесть. Поэтому во многих случаях пользуются повышением напора для лучшего заполнения формы и для уменьшения брака по недоливу и спаям на тонкостенных чугунных отливках.

Жидкотекучесть может быть значительно повышена также путем применения высоких давлений, как это имеет место при литье под давлением. В этом случае хорошее заполнение формы и получение ясных очертаний обеспечивается и при пониженной температуре заливки, в том числе даже в интервале кристаллизации.

Наконец, следует отметить, что немалое влияние на жидкотекучесть чугуна имеет сечение питателей. Опыты автора показали, что между жидкотекучестью и сечением питателя  существует следующая зависимость:

γ  = k√Fn (77)

Рис. 84. Сравнительная жидкотекучесть чугуна с разным содержанием кремния и марганца при заливке в песочные и металлические формы.

Таким образом, жидкотекучесть чугуна является функцией многих переменных, характеризующих металл, форму и условия заливки. Ввиду сложности этой зависимости, она не поддается пока точному математическому расчету. Поэтому для каждой отливки в данных условиях приходится подбирать состав чугуна, температуру заливки и конструкцию литниковой системы для обеспечения заполнения формы. На основе опыта и практических соображений можно, например, рекомендовать: