Общая характеристика влияния фактора времени на структуру чугуна

Вне зависимости от того, через какие технологические параметры проявляет свое влияние на структуру чугуна фактор времени, определяющей является всегда продолжительность кристаллизации и остывания отливок. Чем быстрее протекает этот процесс, тем больше переохлаждение, с увеличением которого изменяется не только количество зародышей и, следовательно, дисперсность структуры, но и форма кристаллитов. Иллюстрацией этого положения может служить рис. 114, на котором представлено влияние скорости охлаждения па положение эвтектической температуры чугунов с разным содержанием магния в условиях метастабильной и стабильной кристаллизации. Из рис. 114 следует, что с повышением скорости охлаждения в обоих случаях увеличивается переохлаждение и изменяется форма графита: пластинчатый графит постепенно переходит в шаровидный. Хотя этот процесс не является в данном случае результатом одной скорости охлаждения, все же можно отметить, что для образования шаровидного графита требуется тем меньше магния, чем быстрее протекает процесс. Большое переохлаждение приводит, как правило, к увеличению количества зародышей и к размельчению структуры. Это. вероятно, и является главной причиной того, что количество зародышей в чугуне с шаровидным графитом в 150—200 раз больше, чем в сером чугуне (в первом случае 16—21 млн., во втором — около 100 тыс. включений в 1 см3). Однако зависимость переохлаждения от скорости охлаждения у разных чугунов различна, так как она является функцией состава, жидкого состояния, физических и теплофизических свойств металла, наличия зародышей и т. и. Поэтому разные чугуны по-разному реагируют на скорость охлаждения. В одном чугуне при каком-то увеличении скорости охлаждения происходит только то или иное размельчение или изменение формы графита, в другом — полный или частичный переход от стабильной к мета-стабильной кристаллизации. Естественно, что это связано с продолжительностью прохождения критического интервала (эвтектического или эвтектоидного), а следовательно, с величиной этого интервала и со скоростью охлаждения. При уменьшении этой продолжительности процесс может перейти в область ниже Tмет и вследствие этого могут образоваться в структуре метастабильные фазы. Пo этой же причине тормозятся превращения в верхних зонах подкритической области, вследствие чего в матрице образуются более дисперсные продукты превращения аустенита.

Исследования, проведенные в литейной лаборатории ЛПИ совместно с А.Я. Иоффе (рис. 115), подтверждают, что факторы, замедляющие охлаждение, как то: увеличение размеров отливки, повышение температуры формы и заливки, — укрупняют эвтектическое зерно и выделения графита в сером чугуне, увеличивают количество графита в структуре и способствуют переходу междендритного графита в неориентированный. При этом уменьшается также количество структурно-свободного цементита, укрупняется перлит и увеличивается количество феррита в матрице чугуна. Такое же влияние оказывает фактор времени, в частности размеры отливки, на строение чугуна с шаровидным графитом (рис. 116).

Из других технологических параметров фактора времени следует указать на материал формы, с повышением тепловой активности которого увеличивается скорость охлаждения. Наиболее сильное влияние в этом отношении оказывает металлическая форма, вследствие чего на отливках в этом случае получается отбеленный слой, толщина которого тем меньше, чем толще отливка и слой теплоизоляционной облицовки (рис. 117). Меньшее, но все же заметное влияние оказывают, как показали исследования, влажность, размер зерен и плотность набивки формовочной смеси (рис. 118), с увеличением которых ускоряется затвердевание, а следовательно, изменяется и структура, хотя влияние это уменьшается с увеличением доли мелких фракций в смеси. В том же направлении, как впервые показал П.П. Берг, действует увеличение газопроницаемости вследствие улучшения теплопередачи. Таким образом, фактор времени оказывает большое влияние на структуру чугуна и это необходимо учесть при выборе состава металла. Очевидно, что чем больше продолжительность кристаллизации отливки, тем соответственно меньше должна быть константа графитизации чугуна, в частности содержание кремния. Как было показано статистической обработкой многих данных, соответствующая закономерность заключается в том, что при уменьшении приведенной толщины отливки вдвое содержание кремния должно быть увеличено на 0,3%, т. е. на lg 2 (lg 2 — 0,30103); поэтому

где R1 и R2 — приведенные толщины двух отливок с одинаковой структурой (степенью графитизации);

SiR1 и SiR2 — соответствующие содержания кремния.

Таким образом, для обеспечения одинаковой степени графитизации должна быть сохранена постоянной при прочих равных условиях сумма Si + lg R. Заменяя приведенную толщину отливки продолжительностью затвердевания, можно представить (II.56) в более общем виде, в частности для литья в песчаные формы:

где т1 и т2 — продолжительность кристаллизации двух отливок с одинаковой степенью графитизации;

Siт1 и Siт2 — соответствующие содержания кремния в этих отливках;

k — коэффициент затвердевания.

Зная, таким образом, состав чугуна для какой-нибудь отливки, можно определить необходимое изменение в содержании кремния или эквивалентное изменение любого другого элемента для обеспечения в иных условиях (другие толщины, теплофизические константы формы, температуры заливки и т. п.) той же структуры, что в первом случае. Этим устанавливается в общем виде связь между составом металла и технологическими факторами, определяющими скорость охлаждения.