книги из ГПНТБ / Писаренко Г.А. Отливки металлургического оборудования из чугуна с шаровидным графитом

и 0,26— 1,57% Мп. С увеличением содержания марганца коли­ чество перлита в структуре металлической основы чугуна увели­

чивается, а количество феррита уменьшается, так как марганец затрудняет процесс графитизации при отжиге [2].

В полном соответствии со структурой происходит изменение

механических свойств чугуна (рис. 4); предел прочности при рас­ тяжении повышается, а относительное удлинение понижается. Лучшие пластические свойства (относительное удлинение 13— 16%) получены при содержа­ нии в чугуне 0,26—0,49%, Мп.

негематитовых чугунов для производства отливок из чугуна с ша­ ровидным графитом проведено изучение влияния марганца на ме­ ханические свойства чугуна при повышенном содержании в нем фосфора. Режимы отжига применяли в двух вариантах, указан­ ных в табл. 1, в которой приведены химический состав исследо­ ванных чугунов и их механические свойства.

По данным табл. 1 видно, что с увеличением содержания мар­ ганца предел прочности при растяжении и относительное удлине-

Таблица 1

Влияние марганца при повышенном содержании фосфора на механические

свойства отожженного чугуна с шаровидным графитом

ние понижаются, причем удлинение понижается в значительно

большей степени, чем прочность.

Понижение пластических свойств объясняется двумя причина­ ми: увеличением количества перлита вследствие уменьшения скорости графитизации под влиянием марганца и огрублением

структуры фосфидной эвтектики. При этом основное действие, по-

видимому, оказывает огрубление структуры фосфидной эвтекти­ ки. Так, например, у чугуна с содержанием 1,09% Мп относитель­ ное удлинение в 3—4 раза меньше, чем у чугуна с содержанием

0,54% Мп, количество же остаточного перлита у первого немно­ го больше, чем у второго. Вряд ли такое резкое понижение пла­ стических свойств с увеличением содержания марганца может быть вызвано небольшим увеличением количества перлита. Более

вероятно, что это связано с изменением строения фосфидной эв­

тектики, которое приводит к значительному увеличению хрупко­ сти самой эвтектики и к ослаблению пограничной связи зерен чу­

гуна. По этой же причине происходит также небольшое падение прочности чугуна при увеличении в нем содержания марганца.

Фосфидная эвтектика бывает двух видов ■.— тонкого точечного

(рис. 5, б), являются цементитом; после травления нейтральным раствором пикрата натрия они остаются светлыми. .

В чугуне с содержанием 1,09% Мп фосфидная эвтектика имеет грубое строение с включениями цементита и ее больше, чем в чугуне с содержанием 0,54% Мп. Это указывает на то,

что марганец способствует образованию тройной фосфидной эв­ тектики (фосфид + твердый раствор 4- цементит).

Свойства чугуна с шаровидным графитом И

Наблюдения авторов подтверждают исследование влияния марганца на строение фосфидной эвтектики в обычном сером чу­

гуне, выполненное В. Н. Свечниковым и 3. Д. Панченко [10]. И. Н. Богачев [8] также указывает, что марганец способствует об­ разованию тройной фосфидной эвтектики. Из этих работ следует

Рис. 5. Разновидность фосфидной эвтектики (а — тон­ кого точечного строения; б — грубого строения) в неотожженном чугуне с содержанием 0,22% Р. Травле­ но в нейтральном растворе пикрата натрия, а затем в 4 %-ном растворе HNO3. Х400.

также, что в чугуне с пластинчатым графитом при низком содер­ жании марганца образуется двойная фосфидная эвтектика.

В чугуне же с шаровидным графитом, даже при небольших

количествах марганца, наряду с двойной точечной эвтектикой,

наблюдается тройная эвтектика грубого строения. Из этого мож­ но сделать вывод, что не только марганец способствует образо­ ванию тройной эвтектики и огрублению ее структуры, но что ана-

дить отжиг чугуна при более высокой температуре и большей длительности.

Для получения высоких пластических свойств в отливках с толстыми стенками (более 100 мм), даже при пониженном со­ держании в чугуне фосфора (0,10—0,12%), необходимо иметь

0,25—0,40%' Мп.

рис. 6 видно, что с повышением содержания хрома прочность чу­ гуна увеличивается, а относительное удлинение и ударная вяз­ кость понижаются; причем содержание хрома до 0,16% практи­ чески мало сказывается на пластических свойствах и ударной вязкости чугуна. Дальнейшее повышение содержания хрома до 0,31% уже приводит к снижению этих свойств. При этом особен­

но резко падает ударная вязкость чугуна.

Аналогичные выводы о влиянии хрома на механические свой­ ства чугуна сделали М. Н. Кунявский и Г. М. Крутиков [12].

Установленная закономерность изменения механических свойств находится в полном соответствии с влиянием хрома на структуру чугуна. При содержании хрома 0,16%, структура ме­ таллической основы чугуна феррито-перлитная с небольшим ко­ личеством перлита. Этой структуре соответствуют высокие значе­ ния относительного удлинения и ударной вязкости. При содер­

жании 0,31% Сг и выше в структуре появляются первичные кар­ биды и ледебурит и увеличивается количество перлита, что и приводит к значительному снижению удлинения и резкому паде­ нию ударной вязкости.

В. Крафт и Р. Флинн [13], отмечая вредное влияние крупных карбидов в чугуне с содержанием 0,26%’ Сг, сохраняющихся по­ сле отжига, также указывают, что им не удалось получить удли­ нение у этого чугуна более 5%.

Таким образом, из проведенных опытов следует, что в чугуне с шаровидным графитом, подвергаемом графитизирующему от­

жигу, содержание хрома не должно превышать 0,15%. Это но­ минальное количество хрома, по-видимому, может несколько из­

меняться в зависимости от состава чугуна и скорости охлаждения отливок при кристаллизации.

Модифицирование магниевого чугуна ферросилицием

Для исследования влияния модифицирования ферросилицием

на механические свойства магниевого чугуна из чугуна одной плавки были отлиты пробы с различным содержанием кремния.

Часть из этих проб заливали чугуном до модифицирования его

ферросилицием, остальные — чугуном после модифицирования 75%-ным ферросилицием в количестве 0,5% от веса жидкого ме­ талла. Все пробы были отожжены по режиму: нагрев до 910°, выдержка при этой температуре 6 час., охлаждение до 650° по

25° в час.

Химический состав чугуна: 3,25—3,48% С; 0,68%' Мп; 0,098%, Р.

14 Свойства чугуна с шаровидным графитом

При малых содержаниях кремния (от 1,2 до 1,9%) магниевый чугун, не модифицированный ферросилицием, имеет более низкое

Рис. 7. Механические свойства немодифицированного (а) и мо­ дифицированного (б) отожженного чугуна с различным содер­ жанием кремния.

относительное удлинение, чем модифицированный, и тем более низкое, чем меньше в нем кремния (рис. 7). Это объясняется

наличием в структуре остаточного цементита, количество которо­ го тем больше, чем ниже содержание кремния.

В модифицированном чугуне, даже неотожженном, при самом низком содержании кремния (1,57%) первичного цементита не наблюдается, тогда как в близком по составу немодифицирован-

ном чугуне (1,68%, Si) до отжига имеется около 50%, цементита и ледебурита.

После отжига у немодифицированного чугуна все еще остает­ ся значительное количество цементита, а у модифицированного

Если в ^модифицированном чугуне, такого же примерно со­ става как модифицированный, нет первичного цементита, то его пластические свойства мало отличаются от пластических свойств модифицированного чугуна. Это видно из сравнения чугуна с

содержанием 2,13 и 2,04% Si (рис. 7).

ся также и цементит.

Модифицирование магниевого чугуна ферросилицием умень­ шает его объемную усадку, вследствие чего в модифицированном чугуне образуется меньше усадочных раковин и рыхлостей.

вырезанных из середины лепестков, приведены на рис. 8. По мере увеличения диаметра лепестков с 50 до 100 мм относительное удлинение незначительно уменьшается, а предел прочности чугу­ на остается практически постоянным. При дальнейшем увеличе­

ние удлинения и небольшое снижение предела прочности.

Однако чугун с шаровидным графитом даже в отливках с тол­ стыми стенками (более 100 мм) может удовлетворять требова­

ниям, предъявляемым к высокопрочному чугуну марки ВЧ45-5 (ГОСТ 7293—54).

Графит в чугуне проб имел шаровидную форму, но некоторая часть его была сходна с хлопьевидным графитом ковкого чугуна. Структура металлической основы перлито-ферритовая с включе­

ниями фосфидной эвтектики. С увеличением толщины проб раз­ мер включений графита, выделений фосфидной эвтектики, а также участков нераспавшегося перлита повышается.

Понижение механических свойств чугуна с увеличением тол­ щины отливки связано с укрупнением выделений фосфидной эв­ тектики, сопровождаемым увеличением химической и структурной

неоднородности, а также укрупнением выделений графита.

Термическая обработка

Большинство отливок из чугуна с шаровидным графитом под­ вергается термической обработке для придания чугуну более вы­ соких пластических свойств и снятия напряжений. Чаще всего термическая обработка заключается в высокотемпературном гра­

фитизирующем отжиге, но иногда применяются и другие виды

обработки — нормализация, изотермическая закалка и пр. Ре­ жим отжига является важным технологическим фактором, влияю­ щим на качество отливок.

Считается, что если в структуре чугуна имеется первичный цементит, то следует производить высокотемпературный отжиг,

так называемый надкритический, температура которого составля­ ет 900—950°. При отсутствии в чугуне первичного цементита обычно производят низкотемпературный отжиг при 700—740°.

При высокотемпературном отжиге большое влияние на свой­ ства чугуна оказывает скорость охлаждения его от температуры отжига и до 700°, а при низкотемпературном отжиге — продол­ жительность выдержки.

Исследованию влияния различных режимов отжига [1] был

подвергнут чугун в образцах, вырезанных из нижней части из­

ложницы с толщиной стенки 75 мм. Химический состав чугуна: 3,14% С; 2,85%' Si; 0,53% Мп; 0,10% Р и 0,005% S.

Влияние скорости охлаждения исследовалось на образцах по­ сле выдержки их при температуре 900° в течение 2 час. Образцы охлаждались с 900 до 650° со скоростью 15, 30 и 100° в час.

Влияние продолжительности выдержки исследовалось на образ­

цах, подвергнутых отжигу при температуре 720° в течение 3, 6, 9 и 12 час.

18 Свойства чугуна с шаровидным графитом

да при отсутствии последней на границах первичных зерен, сфе­ роидизируется, образуя зернистый перлит. Сфероидизация це­ ментита при температуре 720° протекает более полно, чем при температуре 900° с последующим медленным охлаждением.

Сопоставление структуры и механических свойств чугуна по­ сле термообработки показывает, что при одинаковом химическом составе и толщине отливок пластические свойства чугуна с ша­ ровидным графитом определяются структурой металлической основы. Они будут тем выше, чем полнее произойдет графитиза­ ция, т. е. чем больше феррита будет в структуре. Повышению пластических свойств также способствует сфероидизация цемен­ тита перлита.

Первичный цементит, образующийся при кристаллизации в местах ускоренного охлаждения отливок (тонкие стенки, углы), при отжиге ниже критической точки не графитизируется. Поэто­ му для таких отливок необходим высокотемпературный отжиг-.

Однако высокотемпературный отжиг оказывает влияние не только на изменение микроструктуры чугуна, но и производит выравнивание химической неоднородности по содержанию фос­ фора, что благоприятно сказывается на механических свойствах чугуна [14].

Исследования М. Бэллэй, Р. Чави, Т. Гриллат [15] также

показали, что предварительная термическая обработка перед

низкотемпературным отжигом, заключающаяся в 2-часовой вы­

держке при 1000° с последующим охлаждением на воздухе, за­ метно повышает пластические свойства и ударную вязкость чу­ гуна. Противоположный вывод сделали М. Н. Кунявский и Т. Г.

Демидова [16], которые считают, что при высокой температуре отжига происходит плавление фосфидной эвтектики и растекание ее по границам зерен. Но эти авторы исследовали чугун с шаро­ видным графитом при необычайно высоком для него содержании фосфора (0,29%) и не приводят данных механических испыта­ ний, подтверждающих их точку зрения.

Для установления оптимальной температуры отжига отливок из чугуна с шаровидным графитом, к которым предъявляются требования высоких пластических свойств, изучено влияние тем­

пературы отжига на механические свойства чугуна и перераспре­ деление фосфора в нем [14].

Из магниевого чугуна, содержащего 3,20%! С; 2,63%' Si; 0,58%' Мп; 0,13% Р и 0,01%' S, были отлиты трефовидные пробы

с диаметром лепестка 30 мм. Пробы отожжены при температу­ рах 800, 850, 900, 950 и 1000° с выдержкой при этих температу­

рах в течение 6 час., а затем охлаждены до 600° со скоростью

20° в час.

В табл. 3 приведены результаты механических испытаний об­ разцов этого чугуна, из которых видно, что при повышении тем-