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

пературы отжига до 950° заметно возрастает относительное удли­ нение и в еще большей степени увеличивается его ударная вяз­ кость. При повышении температуры отжига выше 950° не про­ исходит дальнейшего увеличения относительного удлинения и ударной вязкости чугуна.

Известно, что фосфидная эвтектика, выделяющаяся при кри­ сталлизации по границам первичных зерен, сильно ухудшает ме­

ханические свойства чугуна с шаровидным графитом [1; 4; 17].

Предполагали, что повышение этих свойств в результате отжига связано с тем, что при отжиге происходит уменьшение неодно­ родности распределения фосфора вследствие диффузии последне­ го из фосфидной эвтектики в окружающий ее аустенит. Провер­ ка этого предположения осуществлена методом авторадиогра­ фии.

В магниевый чугун, содержащий 3,16%С;2,12%Si; 0,63%Мп; 0,18%Р и 0,011 %S, ввели радиоактивный изотоп фосфора Р32 и отлили пробу диаметром 100 мм. Образцы, изготовленные из

■у чугуна, отожженного при температурах 950 и 1000°, значитель­ но меньше, чем у чугуна до отжига и отожженного при 800°.

Это подтверждено и результатами микрофотометрирования 20- и

наиболее темных участков радиограммы каждого образца. Сред­ ние значения плотностей почернения образцов приведены ниже:

аустенит.

В результате диффузии происходит уменьшение неоднородно­

сти распределения фосфора в чугуне.

Чем же объясняется наблюдаемое перераспределение, фос­ фора? Если допустить, что 'кристаллизация чугуна протекала в равновесных условиях, т. е. при бесконечно малой скорости охлаждения, то в аустените и фосфидной эвтектике будут содер­ жаться равновесные концентрации фосфора, и при отжиге пере­ распределения фосфора между ними не произойдет. В реальных условиях производства отливок кристаллизация происходит при значительно больших скоростях охлаждения и вследствие частич­ ного подавления диффузионных процессов возможны два случая получения неравновесных структур:

1.Фосфидная эвтектика образуется при концентрациях фос­ фора меньше равновесных, аналогично тому, как это наблюдает­ ся при образовании эвтектоида в системе медь — олово при кон­ центрациях олова, соответствующих области а -твердого раство­

ра [18].

2.Фосфидная эвтектика образуется при концентрациях фос­

фора, достаточных для обеспечения равновесных условий кри­

сталлизации. В этом случае количество ее будет больше, чем могло бы быть при очень медленном охлаждении.

В результате образования таких структур получается боль­ шой неравновесный градиент концентрации фосфора между фос­ фидной эвтектикой и аустенитом, вследствие чего создаются бла­ гоприятные условия для диффузионного перераспределения фосфора при отжиге чугуна.

Из изложенных теоретических соображений следует, что в первом случае, когда фосфидная эвтектика образуется при кон­

центрации фосфора ниже равновесной, при соответствующей тем­ пературе и продолжительности отжига, возможно исчезновение ее. Это подтверждается металлографическим анализом исследо­ ванных чугунов с содержанием 0,12 и 0,18% Р (рис. 11). Во вто­ ром случае полное устранение фосфидной эвтектики невозможно.

Поэтому влияние высокотемпературного отжига на механические

свойства чугуна должно зависеть от содержания фосфора. Повидимому, существенный эффект отжиг будет давать в первом из рассматриваемых случаев, т. е. при относительно невысоких со­ держаниях фосфора в чугуне.

Из изложенного следует, что высокотемпературный надкрити­

ческий отжиг не следует рассматривать только как операцию,

применяемую для графитизации первичных карбидов в случае получения их в отливках. В действительности, действие его за­ ключается также и в гомогенизации структуры чугуна. Не ис­ ключена возможность, что при этом происходит перераспределе­

22 Свойства чугуна с шаровидным графитом

ние не только фосфора, но также и других элементов, способных к ликвации.

Д. Джиттус [19] установил, что низкотемпературный отжиг при 690—720° приводит к образованию в магниевом чугуне фер­ рита ’с мозаичной внутризернистой структурой, обладающей по­

ниженной вязкостью. Предварительный же нагрев чугуна до 900° устраняет получение такой структуры феррита, что автор

объясняет сегрегацией легирующих элементов при высокотемпе­ ратурном отжиге.

В результате исследования влияния температуры отжига на механические свойства высокопрочного чугуна и перераспределе­ ния в нем фосфора оптимальным температурным интервалом от­ жига отливок, особенно с толстыми стенками, следует считать 900—950°. После отжига отливки должны медленно охлаждать­ ся или выдерживаться при температурах 700—740°.

2. физические свойства чугуна

Продолжительность службы отливок (изложниц, прокатных валков, шлаковых чаш и пр.), работающих в условиях высоких

и переменных температур с быстрым нагревом и охлаждением, зависит от многих физических свойств материала, из которого из­

готовляются отливки. Ниже приводятся данные исследований не­ которых, наиболее важных, физических свойств магниевого и

обычного чугуна.

Теплопроводность

Теплопроводность чугуна зависит от структуры металлической основы и формы включений графита. Согласно вычислению До­ нальдсона [20], структурные составляющие отожженной углеро­

дистой стали имеют следующую теплопроводность: феррит 0,184, перлит 0,124 и цементит 0,017 кал!см сек град. Исходя из этих данных, следует, что графитизация первичного и эвтектоидного цементита чугуна повышает его теплопроводность.

Исследованиями, проведенными Г. А. Кузнецовым [21], Б. Б. Купровским и П. В. Гельдом [22], показано, что чугун с шаро­ видным графитом имеет меньшую теплопроводность, чем чугун с пластинчатым графитом.

Химический состав исследованных ими чугунов приведен в табл. 4, а теплопроводность в зависимости от содержания угле­ рода и температуры — на рис. 12.

Все пробы чугуна (кроме плавки № 167—4) подвергались графитизирующему отжигу с целью получения одинаковой струк­ туры — феррита. В плавках, приведенных на рис. 12, а, измере­ ние теплопроводности производилось на толстостенных цилинд-

рических образцах методом радиального потока тепла, а в плав­ ках, приведенных на рис. 12, б, — на приборе типа Дональдсона, на образцах диаметром 18 и длиной 92 мм.

Рис. 12. Влияние температуры на теплаптоводность чугунов с пластинча­ тым и шаровидным графитам:

а — измерено на приборе методом радиального потока тепла [22]; б — измерено на приборе типа Дональдсона [21]; □, О, О—пластинчатый графит; ■. ♦» •—ша­ ровидный графит.

Данные измерения теплопроводности чугуна показывают:

а) с повышением температуры теплопроводность уменьшает­ ся, причем особенно резко это выражено у чугуна с пластинча­

тым графитом;

б) с увеличением содержания углерода теплопроводность чу­ гуна с пластинчатым графитом возрастает, а теплопроводность

24 Свойства чугуна с шаровидным графитом

чугуна с шаровидным графитом не зависит от содержания угле­ рода.

По данным М. И. Синнот [23], теплопроводность чугуна с ша­ ровидным графитом на 10—30 %. ниже теплопроводности чугуна с пластинчатым графитом. То, что теплопроводность чугуна с

шаровидным графитом меньше теплопроводности чугуна с пла­ стинчатым графитом подтверждают данные, полученные при из­ мерении температуры наружной поверхности стенок изложниц (с толщиной стенок 140 мм) после разливки в них стали (рис. 13).

Изложницы из чугуна с пластинчатым графитом прогреваются быстрее и до более высокой температуры, чем изложницы из чу­ гуна с шаровидным графитом.

Время от начала разливки стапи,мин.

Рис. 13. Температурные .кривые наирева и охлаж­ дения наружной поверхности изложниц на рас­ стоянии 800 мм от нижнего торца:

1 — из чугуна с пластинчатым графитом; 2 — из чугуна

сшаровидным графитом.

Опричинах более низкой теплопроводности чугуна с шаро­

видным графитом имеется несколько точек зрения.

Г. А. Кузнецов [21] считает, что теплопроводность графита

выше теплопроводности металлической основы чугуна и когда пластинки графита в чугуне сообщаются между собой, образуя теплопроводные графитовые каналы, проводимость тепла увели­ чивается. Шаровидный же графит изолирован и такие каналы

отсутствуют, поэтому теплопроводность чугуна с шаровидным

графитом ухудшается.

Б. Б. Купровский и П. В. Гельд [22] более высокую теплопро­

водность чугуна с пластинчатым графитом объясняют тем, что пластинчатый графит в чугуне имеет более совершенное строение по сравнению с шаровидным.

Термическая стойкость

Термическая стойкость чугуна характеризует сопротивление его образованию трещин при резких колебаниях температур.

26 Свойства чугуна с шаровидным графитом

Исследование влияния химического состава на термическую стойкость отбеленного чугуна производилось по методике К. П. Бунина [24] на образцах высотой 20 мм и диаметром 20 мм с по­ лированными торцами. Образцы нагревали до 600° и выдержи­ вали при этой температуре 10 мин., после чего охлаждали в воде

при температуре 15—20°. Нагрев и охлаждение образцов про­ должали до образования на полированной поверхности сплош­ ной сетки трещин. Количество нагревов и охлаждений характе­ ризовало термическую стойкость чугуна.

В табл. 5 приведены данные по термической стойкости отбе­ ленного чугуна в зависимости от химического состава. По дан­ ным табл. 5 следует, что магний не влияет, углерод и марганец понижают, а кремний улучшает термическую стойкость отбелен­ ных чугунов.

ровидным графитом изучалась Г. А. Кузнецовым [21] на ступеньчатых цилиндрических образцах диаметром толстой части 30 мм и тонкой — 15 мм, высотой толстой части 15 мм и тонкой— 25 мм. Такая форма образца при резком охлаждении его от вы­ сокой температуры способствует возникновению напряжений, разрушающих образец в месте перехода от тонкой к толстой ча­ сти.

Испытания ступенчатых образцов чугуна на термическую стойкость производились следующим способом. Образцы нагре­ вали в муфельной печи до определенной температуры (650, 700,

800 й 900°), а затем охлаждали в воде при температуре 15—20°. Переменные нагревы и охлаждения повторялись до появления

на образцах хорошо ■ видимых трещин; количество таких охлаж­

кость испытывался чугун с пластинчатым графитом в литом со­ стоянии без отжига и чугун с шаровидным графитом после от­

с пластинчатым и шаровидным графитом зависит -от температу­ ры нагрева перед охлаждением в воде.

Термическая стойкость чугуна с шаровидным графитом при охлаждении его с температур 650 и 700° высокая, в два раза превышающая термическую стойкость чугуна с пластинчатым графитом; при повышении же температуры нагрева до 800—900° термическая стойкость чугуна с шаровидным графитом резко по­

нижается.

Термическая стойкость чугуна с шаровидным графитом при резком охлаждении его от 800° и выше понижается, по-видимо­ му, вследствие большой прокаливаемости этого чугуна [13] и

резкого уменьшения его пластических свойств при закалке.

Исследование ступенчатых образцов после 30-кратного охлаж­ дения в воде с температуры 700° показало, что у обычного чу­ гуна на торцовой поверхности образуется сетка трещин, размеры которых уменьшаются по мере увеличения в чугуне содержания углерода; в образцах же из магниевого чугуна (отожженного и

неотожженного) при содержании 2,78—3,57 %: С трещины не по­ лучаются.

Таким образом, установлено, что чугун с шаровидным графи­ том хорошо сопротивляется образованию трещин и сетки разга­ ра при резких охлаждениях его с температуры 700°.

Остаточные напряжения

Остаточные напряжения в отливках образуются в период пе­ рехода металла из пластического в упругое состояние. Эти на­

пряжения оказывают отрицательное влияние на эксплуатацион­

довольно простым способом — отливкой технологической пробы (усадочной решетки), состоящей из двух боковых стержней ма­ лого диаметра (20—30 мм), среднего стержня большого диамет­

ра (40—60 мм) и поперечных планок, соединяющих стержни. Величина упругой деформации решетки определяется по измене­ нию расстояния между поперечными планками после разрезки

толстого стержня, а остаточные напряжения вычисляются по формулам, учитывающим упругие деформации, предел прочности при растяжении и модуль упругости.

Результаты определения остаточных напряжений по данным

некоторых исследователей приведены в табл. 7. По данным табл. 7 видно, что напряжения в чугуне с шаровидным графитом в 2—3 раза выше, чем в чугуне с пластинчатым графитом. Объ­ ясняется это тем, что чугун с шаровидным графитом обладает высоким модулем упругости и пониженной теплопроводностью.