При содержании азота или водорода в металле, превышающую их концентрацию растворимости в отливках, может образоваться газовая пористость.

1.6.2. Влияние скорости охлаждения

Скорость охлаждения отливок зависит от ряда факторов. К ним относятся: конструкция отливки, теплофизические свойства металла и формы, температура заливки, технология формы. Независимо от того, под влиянием каких факторов изменилась скорость охлаждения, её ускорение увеличивает переохлаждение и повышает дисперсность структурных составляющих. В зависимости от химического состава и характера жидкого состояния чугуна увеличение переохлаждения способствует тому, что эвтектическая кристаллизация частично или полностью проходит по метастабильной схеме. Скорость охлаждения в интервале эвтектоидного превращения определяет соотношение феррита и перлита и степень дисперсности последнего. В чугуне, прошедшем кристаллизацию по стабильной диаграмме, эвтектоидное превращение при быстром охлаждении может пройти по метастабильной диаграмме, и в структуре появится перлит.

Влияние скорости охлаждения на структуру доэвтектического чугуна можно проследить по схеме, представленной на рис. 1.17 Здесь показано, какие структурные составляющие могут быть получены при разных скоростях охлаждения в момент первичной кристаллизации и

э в т е к т о и д н о г о превращения.Чем больше скорость охлаждения, тем круче наклон линий на схеме.

Обозначенные на рис. 1.17 варианты охлаждения могут быть реализованы на практике литья отливок в различных формах. Самое быстрое охлаждение, т.е- по линии 1-1-1 соответствует метастабильной кристаллизации с получением белого чугуна и может наблюдаться при литье мелких и тонкостенных отливок в кокиль при ранней выбивке и охлаждении на воздухе.

Стабильной скорости кристаллизации с получением ферритного серого чугуна соответствует линия 1-2-4.

Такую скорость можно наблюдать при полном охлаждении массивных отливок в песчаных формах. При охлаждении тонкостенных отливок в форме возможны варианты 1-1-2 или даже 1-1-3 (форма разогревается, и скорость охлаждения замедляется).

В отливках сложной конфигурации разные части охлаждаются с разной скоростью, что приводит к существенным различиям в структуре и свойствах. Это наглядно демонстрируется в табл. 1.1, где приведены свойства отливки массой 750 кг при литье в сухую песчаную форму.

Таблица 1.1

Скорость охлаждения и механические свойства в разных сечениях чугунной отливки

1.6.3. Влияние состояния расплава

Физические свойства (вязкость, поверхностное и межфазное натяжение) и физико-химическое строение жидкого чугуна (расплава) определяют и количество самопроизвольных и вынужденных зародышей при его переохлаждении. На практике влияние жидкого состояния на кристаллизацию реализуется путем изменения величины перегрева, выдержкой расплава при перегреве, модифицированием и другими методами обработки расплава, изменением состава шихтовых материалов и условий плавки.

При изучении строения жидкого чугуна наиболее важным является вопрос: существуют ли центры графитизации в расплаве до начала затвердевания? Большинство литейщиков-производственников и ученых считают, что в жидком чугуне графит присутствует в виде самостоятельной фазы, которая играет решающую роль при граф итизации чугуна, определяет размер и форму графитовых включений. Это подтверждается наследственностью чугунов (размер и форма графитовых включений в отливках почти всегда аналогичны размеру и форме графита в переплавляемом чугуне). Долгое время среди наших ученых-литейщиков преобладало мнение, что жидкий чугун представляет собой коллоидный раствор. Сторонники коллоидной теории утверждали, что основу расплавленного чугуна составляет жидкая высокоуглеродистая сталь, содержащая в растворе 1-2 % С, а остальной углерод находится в виде графитной взвеси с размерами частиц

около 100 нм (до 1000 нм по старым данным и менее 10 нм по более поздним оценкам ). Коллоидная теория не подтверждена современными термодинамическими исследованиями расплавов. Рентгеноструктурный анализ не обнаружил в жидком чугуне графитной фазы. В настоящее время утвердилась макромолекулярная теория строения жидкого чугуна. Основу теории составляет положение о наличии в расплаве лишь макромолекулярных углеродных комплексов (без взвеси).

Технический чугун сильно «замутнен» разнообразными по составу и размерам неметаллическими включениями. Макромолекулярная теория не отрицает наличия в расплаве мелкодисперсной высокоуглеродистой «фазы». Она присутствует в виде очень тонких углеродистых слоев, адсорбированных на поверхности части неметаллических включений, может появиться в результате модифицирования. Природа, размер частиц и концентрация высокоуглеродистой «фазы» зависят от природы и размеров неметаллических включений, от структуры исходного доменного чугуна в шихте и от термовременной обработки чугуна в плавильном агрегате (перегрева и времени выдержки при перегреве). Перегрев и длительная выдержка расплава при высоких температурах способствую т растворению и удалению вклю чений, разруш ению углеродных слоев на их поверхности, т.е. дезактивации потенциальных зародышей кристаллизации и графитизации. В результате перегрева увеличивается переохлаждение чугуна, что приводит к измельчению графитовых включений, получению мелкого междендритного графита и, как следствие, к повышению механических свойств. Но благоприятное влияние на свойства оказывает только перегрев до определённой критической тем пературы , выше которой м еханические свойства начинают ухудшаться из-за образования «точечного» графита. Такие высокоперегретые чугуны называют «мертвыми». В них остается мало потенциальны х центров граф итизации, они имеют повышенную склонность к отбелу. Чем больше в чугуне углерода и кремния, тем выше критическая температура перегрева.

1.6.4.Влияние модифицирования

Модиф ицирование сплавов находит ш ирокое применение в современном литейном производстве. Введение в жидкий расплав минимальных количеств одной или нескольких присадок вызывает существенные изменения в ходе кристаллизации отливок. Благодаря измельчению микроструктуры, более равномерному распределению отдельных структурных составляющих, изменению их формы, размеров, достигается повышение механических и эксплуатационных свойств. Модифицирование позволяет целенаправленно воздействовать на формирование структуры и свойств сплавов.

По классификации академика П.А. Ребиндера модифицирующие добавки (модификаторы) делятся на два рода.

Кмодификаторам первого рода относятся добавки, которые образуют в расплаве высокодисперсную фазу и резко увеличивают число центров кристаллизации.

Кмодификаторам второго рода относятся поверхностно-активные вещества, которые концентрируются на поверхности растущих кристаллов и тормозят их рост. Такие модификаторы не только измельчают зерно, но и изменяют форму роста кристаллов, препятствуют развитию игольчатых и пластинчатых кристаллов, придавая им округлую форму.

Для графитизированных сплавов, в которых содержится дополнительная твердая графитная фаза, возможности модифицирования расширяются. Модификаторы могут воздействовать как на кристаллизацию металлической основы, так и на графитизацию. В зависимости от поставленной цели можно выделить следующие виды модифицирования чугуна:

1.Модифицирование присадками с графитизирующим эффектом, способствующим полному протеканию кристаллизации в соответствии со стабильной диаграммой состояния. Применяется оно при производстве высококачественных графитизированных чугунов.

2.Модифицирование присадками, обладающими способностью сфероидизировать форму графитных включений. Это необходимо при получении высокопрочных чугунов с шаровидным и компактным графитом.

3.Модифицирование присадками, препятствующими графитизации во время эвтектической кристаллизации и способствующими получению белого или отбеленного чугуна.

4.Комбинированное воздействие модифицирующими смесями, которые содержат в своем составе как графитизирующие, так и отбеливающие присадки. Оно находит применение в производстве ковкого чугуна, когда в исходной структуре его недопустимо присутствие пластинчатого графита (помогают отбеливающие добавки) и когда требуется ускоренное разложение цементита во время графитизирующего отжига.

Модифицирование не только само оказывает положительное влияние на структуру и свойства сплавов, но и позволяет в более широком интервале использовать благоприятное воздействие других факторов, действующих в том же направлении, а именно: перегрева чугуна, повышения скорости охлаждения и уменьшения содержания углерода и кремния. На рис.

1.18видно, что допустимые значения этих факторов, при которых еще не наблюдается отбеливание и появление междендритного (точечного) графита, сдвигаются вправо, а механические свойства улучшаются.

Граф ит изирую щ ее м одиф ицирование нашло наибольшее распространение в практике литейного производства. Оно обеспечивает получение однородной структуры с мелкодисперсным пластинчатым

является графит. Действительно, введение графита в расплав способствует высокой степени графитизации чугуна при затвердевании отливок. Но длительность модифицирующего действия графита невелика. Часть его быстро растворяется в расплаве, а часть всплывает на поверхность. Более длительно действуют модификаторы, образующие в чугуне устойчивые тугоплавкие соединения, служащие подложками при первоначальном выделении углерода из расплава. Это могут быть соединения алюминия, титана, циркония, кальция, бария и редкоземельных металлов (РЗМ) с азотом, кислородом, углеродом и серой. Наиболее близки к графиту (в порядке убывания) такие соединения, как Si02, Ai20 3, Се02, СаО, MnS, SiC, TiC.

Наибольшее распространение в качестве графитизирующих модификаторов получили ферросилиций, силикокальций и комплексные лигатуры на их основе. Применяемый для этой цели 75 %-й ферросилиций (ФС75Л) содержит примеси алюминия и кальция, которые усиливают его действие. Действие ферросилиция связано не только с образованием тугоплавких включений. Введение ФС75Л в расплав приводит к образованию обогащенных кремнием зон и к повышению в этих локальных объемах активности углерода (кремний уменьшает растворимость углерода в железе).

В случае использования для модифицирования таких активных элементов, как титан, иттрий, лантан, церий и других РЗМ, их содержание должно составлять от 0,01 до 0,1 %. Это объясняется малыми концентрациями в чугуне азота, кислорода и серы, которые образуют тугоплавкие включения. Избыточное содержание таких модификаторов может привести к образованию карбидов и к метастабильной кристаллизации. Графитизирующее модифицирование эффективно только для чугунов со сравнительно низким углеродным эквивалентом, т. е. для

Антиграфитизирующее модифицирование осуществляется для получения отбела отливок с целью повышения их износостойкости. Элементы, используемые для этого, называются демодификаторами. К ним относятся висмут, мышьяк, свинец, титан, сурьма, олово и др. Демодификаторы, в первую очередь активно взаимодействуют с магнием и другими сфероидизирующими модификаторами, нейтрализуя их действие. Влияние демодиф икаторов проявляется уже при очень низком их содержании (0,005-0,015 % В, 0,01-0,012 % Sb, 0,02-0,025 % Sn, 0,03-0,04 % Ti), поэтому при производстве высокопрочных чугунов для литейщиков очень важно получить исходный сплав с низким содержанием указанных примесей.

Комбинированное модифицирование ковких чугунов заключается в одновременном введении в расплав добавок, стабилизирующ их цементит для обеспечения метастабильного затвердевания, но не оказывающих заметного отрицательного влияния на граф итизацию отжига, и добавок, обеспечивающих ускорение графитизации при отжиге.

В качестве стабилизаторов используют Bi, Те, Sb и другие элементы. Практическое применение нашли висмут, теллур и их сплавы. Обычно присадки Bi и Те составляют от 0,001 до 0,01 % от массы чугуна.

Для ускорения графитизации при отжиге в расплав вводят AI, В, Ti, Са и другие элементы. Чаще применяют алюминий (0,01-0,03 %) и бор (0,002-0,003 %).

Вопросы для самоконтроля

1.Какие диаграммы фазовых равновесий существуют в системе железо - углерод?

2.Какие фазы и структурные составляющие образуются в

системах железо - цементит и железо - графит?

3.Перечислите фазы, выделившиеся при кристаллизации и охлаждении доэвтектического белого, половинчатого и серого чугуна.

4.Где на диаграммах проходит граница между сталью и

чугуном?

5.Какие превращения наблюдаются в системе железо - углерод?

6.В чугуне содержится 3,2% С и 2,0 % Si. Определите, является ли такой чугун доэвтектическим, эвтектическим или заэвтектическим.

7.Определите фазовый и структурный состав доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали.

8.Какое влияние на свойства чугуна оказывает графит?

9.Какие виды графита можно последовательно наблюдать при кристаллизации и охлаадении чугуна?

10.Какую форму имеют включения первичного графита?

11.Что такое междендритный графит. Какую пространственную