Жидкое состояние чугуна

Жидкое состояние чугуна

Перегрев, строение и состав исходных материалов и модифицирование, определяющие жидкое состояние чугуна, оказывают свое влияние, главным образом, на первичную кристаллизацию. В связи с этим в известной мере обусловливают характер графитизации и механические свойства чугуна.

а) Влияние температуры перегрева. Увеличение перегрева жидкого чугуна приводит к размельчению.

Рис. 166. Влияние температуры перегрева на жидкое состояние чугуна, при разном содержании углерода.

Согласно экспериментальным данным, повышение температуры перегрева на 100° увеличивает прочность чугуна на 7 - 8%, причем параллельно с прочностью попытаются также его модуль упругости.

Однако перегрев не должен превосходить какой-то максимум (рис. 166), выше которого механические свойства, в особенности ударная вязкость, начинают падать. Положение этого максимума ("критическая" температура перегрева) за висит от состава чугуна, скорости охлаждения и условий кристаллизации.

Рис. 167. Влияние температуры перегрева на однородность свойств чугуна в разных сечениях

Все факторы, способствующие образованию междендритного графита (низкое содержание углерода, быстрое охлаждение, малое количество вынужденных центров кристаллизации передвигают положение максимума в сторону более низких температур. В связи с этим результаты перегрева зависят от ряда других моментов, определяющих жидкое состояние чугуна (газосодержимое, включения и т. д.), вследствии чего исследования во многих случаях не обнаруживают указанной закономерности. Упомянутые перегибы на кривых не наблюдаются при производстве ковкого чугуна. С повышением температуры перегрева жидкое состояние чугуна в этом случае имеет место все возрастающее переохлаждение при кристаллизации и соответствующее размельчение первичной структуры белого чугуна.

Рис. 168. Влияние температуры перегрева на жидкое состояние чугуна.

б) Влияние исходных материалов. Содержание газов и неметаллических включений, колличество углерода и форма графита в исходных материалах могут иметь заметное влияние на механические свойства чугуна. Однако в отношении влияния газов, в часности кислорода, существуют противоречивые мнения в литературе. В то время как одини исследователи обнаружили статических свойств чугуна с увеличенном содержания кислорода, другие утверждают противное, как это видно ни следующих данных:

Эти противоречия объясняются тем, что на механические свойства оказывает влияние форма кислородных соединении. Поэтому в некоторых условиях кислородные соединения, действуя как зародыши и препятствуя образованию междендритного графита, могут повысить механические свойства чугуна, в других же случаях введение кислорода эти свойства понижает. Ряд литературных данных показывает, что не меньшее значение имеет влияние других газов (табл. 20).

Таблица 20. Влияние газовой атмосферы и перегрева на механические свойства чугуна.

Из таблицы 20 видно, что при плавке в вакууме получается чугун с низкими свойствами, плавка в атмосфере воздуха увеличивает прочность чугуна, но повышение температуры перегрева оказывает при этом благоприятного влияние. Такое же повышенно механических свойств наблюдается при плавке   в атмосфере азота, водорода и окиси углерода. При этом, в зависимости от состава атмосферы, кривая изменения механических свойств с повышением температуры перегрева образует максимум или минимум. Некоторое значение имеют также содержание связанного углерода и форма графита исходных материалов, от которых в известной мере зависят количество и форма графита в отливке.

Поэтому введение в шихту древесноугольных, передельных или других специальных чугунов улучшает механические свойства отливок и повышает их однородность. По этой же причине, как показывают исследования Г.И. Клецкина, увеличение процента стали в шихте повышает прочность чугуна даже в том случае, когда химический состав металла не изменяется (рис. 169). Высокие обороты получаются при ведении планки на предельном чугуне, как это предложено Н. Л. Бариновым и И. В. Волковым.

Точно так же и состав шлаков, оказывая влияние на структуру и графитизацию чугуна, соответствующим образом изменяет его механические свойства. Например, согласно литературным данным, восстапогштельные шлаки, способствуя переохлаждению, понижают механические свойства малоуглеродистого чугуна вследствие, выделения свободных карбидов, шип междендритного графита и в то же время повышают механические свойства высокоуглеродистого чугуна из-за размельчения графита (рис. 170).

Исследования Э. Я. Храпковского, Н. Тазадзе Я. А. Смоляницкого  показали повышение механических свойств при обработке чугуна магнезиальными шлаками, а также при воздействии на чугун сначала карбидными, а потом глиноземистыми шлаками, например:

Рис. 169. Влияние количества стали в шихте на прочность чугуна.

в) Влияние модифицирования. Смысл модифицирования, как способа повышении механических свойств чугуна заключается, главным образом, в воздействии на форме графита. При модифицировании с целью получения пластинчатого графита происходит резкое увеличение степени графитизации малоуглеродистого и малокремнистого чугуна, а также устранение склонности к междендритной кристаллизации графита и к образованию транскристаллизационного (лучистого) излома. И то и другое повышает механические свойства чугуна.

Рис. 170. Влияние состава шлаков на механические свойства чугуна.

Поэтому благоприятное влияние модифицирования на прочность чугуна с пластинчатым графитом выявляется, главным образом, в двух случаях: 1) когда исходный чугун характеризуется низкой склонностью к графитизации; 2) когда условия кристаллизации благоприятны для образования междендритното графита и лучистого излома.

Модифицирование чугуна с целью получения пластинчатого графита оказывает поэтому тем большее влияние, чем больше склонность к переохлаждению (меньше содержание углерода и кремния, больше количество стального скрапа в шихте, выше перегрев жидкого чугуна, быстрее охлаждение и т. д.). По мере увеличения всех этих факторов, вызывающих возрастающее переохлаждение при кристаллизации чугуна, механические свойства сначала возрастают, достигают максимума, а затем падают (puc. 171).

Модифицирование, устраняя междендритную кристаллизацию графита, уничтожает максимум на кривой, и механические свойства чугуна с пластинчатым графитом продолжают возрастать. Таким образом, модифицирование дает возможность в большей и лучшей мерс использовать факторы, повышающие механические свойства чугуна, в том числе и легирование (рис. 160, 162, 163, 164). В качестве присадок в ковш при получении чугуна с пластинчатым графитом применяется в настоящее время большое количество модификаторов (силикокальций, ферросилиций,ферроцирконий, силиколлюминий и т. д.).

Рис. 171. Схема влияния переохлаждения и модифицирования на механические свойства чугуна.

Рис. 172. Влияние количества присадки с силикоалюминия на механические свойства чугуна.

C дальнейшим увеличением количества присадки в ковш степень графитизации повышается, выделения графита укрупняются и прочность чугуна особенно при растяжении, понижается. Стрела же прогиба продолжает увеличиваться, как это видно, например, из работ К. И. Ващенко (рис. 172). Необходимым условием благоприятного влияния присадок на механические свойства является надлежащий выбор состава у чугуна, близкий к "критическому" по содержанию углерода.

Который без модифицирования дал бы в данной отливке белый, половинчатый или лучистый излом. После модифицирования излом становится равномерно серым. При этом все механические свойства повышаются, в том числе стрела прогиба и ударная вязкость, Так, например, присадка 1% сплава состава 6% A1, 12% Si и 80% Сu.

Модифицирование приводит также к повышению однородности, чему в значительной мере способствует пониженное содержание углерода и кремния. Это влияние модифицирования иллюстрируется, например, исследованиями ЦНИИТМАШа.

Высокая однородность свойств и низкая чувствительность к скорости охлаждения делают модифицированным чугун ценным материалом дли машиностроения. Сравнение влияния различных присадок в ковш дает пеструю картину, так как результаты модифицирования зависят не только от типа присадки, но и от многих других факторов (состав чугуна, перегрев, состав шлаков и т. д.). Во всех случаях, как показали исследования автора, качественный по составу сидикокальций дает наилучшие результаты (рис. 173).

Результаты модифицирования в значительной мере зависят от жидкого состояния в чугуне газов. Эго легко объяснимо образованием соответствующих соединений, играющих роль зародышей. В литературе рекомендуется, например, предварительная продувка жидкого чугуна углекислотой или кислородом или соответствующая присадка окислов с последующим раскислением. Это дает, по исследованиям И.И. Богачева повышение механических свойств.

Рис.173. Сравнительное влияние разных модификаторов на предел прочности при изгибе при различном содержании кремния.

Однако опыты,проведенные автором совместно с А.Я. Иоффе, показали, что не все газы действуют в этом отношении одинаково и что наиболее эффективной являетсяпредварительная продувка чугуна азотом и водородом. Продувка же кислородом и углекислотой не дает преимуществ (рис. 174), что ставит под сомнение образование зародышей графита окислами.

Рис. 174. Влияние предварительной продувки чугуна.

1 - без продувки; 2 - после продувки N₂; 3 - после продувкгг Н₃; 4 - после продувки СО₂; 5 - после продувки О₂.

Что касается модифицирования с целью получения графита, то этот процесс проводится путем присадки церия или магния, а затем ферросилиция. Этот способ впервые разработан в СССР (Б. С. Мильманом и др.). Он дает возможность использовать обычный ваграночный серый чугун в противоположность английскому способу присадки церия, требующего применения специального чугуна. Механические свойства такого чугуна с глобулярным графитом оказываются очень высокими.

Однако чем выше содержание фосфора, менее удовлетворительные условия питания образцов, тем ниже получаемые свойства. Влияние углерода в этом чугуне имеет меньшее значение, точно так же, как и толщина отливки.

Следует отметить, что модифицирование, как метод повышения механических свойств, подучило применение, главным сирином для серого чугуна. При производстве ковкого чугуна роль модификаторов ограничивается главным образом ускорением процесса отжига вследствие увеличения числа центров кристаллизации. Если при этом происходит более полная графитизация чугуна, то механические свойства его, в особенности пластичность, также повышаются. Например, в практике одного завода в результате модифицирования путем присадки к жидкому чугуну 0,03% механические свойства отливок после отжига значительно улучшились: