Неоднородность и анормальность структуры чугуна в связи со скоростью охлаждения

Так как скорость охлаждения и условия кристаллизации в разных частях отливки и в разных местах одного и того же сечения различны, то соответственно различны строение и свойства литого металла. Это особенно справедливо в отношении чугуна, строение и свойства которого вследствие процессов графитизации в сильной степени зависят от скорости охлаждения и других условий кристаллизации. Поэтому чугун отличается сравнительно низкой однородностью (квазиизотропией) и высокой чувствительностью к скорости охлаждения, что зависит, однако, от состава металла и некоторых других факторов.

Получить высококачественную отливку в современном смысле этого слова — значит не только изготовить ее из чугуна с высокими механическими и физическими свойствами, но и обеспечить эти качества во всех сечениях отливки, т. е. сделать ее максимально однородной. Этого можно в некоторой степени достичь вышеописанными методами регулирования скорости охлаждения. Однако в полной мере это никогда не осуществляется, особенно на краю и в центре одного и того же сечения. Наоборот, обычные методы регулирования скорости охлаждения, как, например, применение холодильников или искусственного охлаждения воздухом и водой, выравнивая температуру между разными частями отливки, делают менее однородным температурное поле, а значит и строение чугуна в одном и том же сечении. Поэтому весьма важно применение чугунов с малой чувствительностью к скорости охлаждения (высокой квазиизотропией). При изучении этого свойства отливаются обычно образцы разного сечения (рис. 127) и сопоставляются их структуры или свойства.

Исследования и практика показывают, что наиболее интенсивно влияющим элементом в этом отношении является прежде всего углерод: чем меньше его содержание в чугуне, тем более однородными являются излом и строение чугуна в разных сечениях, а также в одном и том же сечении. Однако следует иметь в виду, что понижение содержания углерода в сером чугуне до уровня, вызывающего образование отбела, приводит к обратным результатам и делает излом и строение чугуна в сечении крайне неоднородными. Влияние некоторых других элементов на квазиизотропию чугуна представлено на рис. 128. Наиболее благоприятно влияющим элементом является никель. С увеличением его содержания разницах количестве связанного углерода в тонких и толстых образцах резко уменьшается. Это объясняется тем, что никель способствует графитизации при кристаллизации, но одновременно затрудняет распад перлита. Вследствие этого устраняются отбел в тонких сечениях и кристаллизация феррита в толстых, так что во всех сечениях образуется однородная перлитная структура. Принципиально так же, хотя и в более слабой степени, влияют молибден и медь. В противоположность этим элементам, кремний и фосфор понижают квазиизотропию, увеличивая разницу в строении толстых и тонких частей отливки. В связи с этим их влияние, как видно из рис. 128, изображается пучком расходящихся лучей, в то время как никель характеризуется сходящимся пучком, а хром — параллельным; это свидетельствует о том, что хром не оказывает заметного влияния на квазиизотропию чугуна.

Скорость охлаждения и величина переохлаждения могут быть также причинами образования анормальных структур, представляющих как бы нарушение общих закономерностей. Эти аномалии проявляются в отношении всех структурных составляющих, в частности, ранее уже было указано на анормальные формы ледебурита и графита в связи с повышенной скоростью охлаждения. Наблюдаются также некоторые анормальные формы феррита в чугуне (рис. 129). Первый тип такого анормального феррита (рис. 129, а) располагается вокруг междендритного графита па базе обедненного углеродом аустенита, но, в противоположность обычному, наряду с ферритом в структуре имеется и свободный цементит. Такая перлито-цементито-ферритная матрица кажется неестественной, так как отсутствует в нормальном ряде структур, где с уменьшением скорости охлаждения строение матрицы постепенно меняется от перлито-цементитной к перлитной и перлито-ферритной. Существуют разные точки зрения на механизм образования такого феррита. Предполагается, например, что феррит этот является продуктом распада силикокарбидов по реакции

Образующийся кремнистый феррит как бы не успевает при быстром охлаждении растворить углерод и остается таковым при дальнейшем остывании. Такой феррит, названный «первичным», образуется по этой гипотезе не в подкритическом, а в надкритическом интервале, что подтверждается на первый взгляд тем, что эта анормальность структуры чаще всего наблюдается при низком содержании углерода и высоком содержании кремния в чугуне. Однако многочисленные эксперименты показывают, что при закалке такого чугуна с достаточно высоких температур (выше критического интервала кремнистого чугуна) феррит в структуре не обнаруживается. Из этого следует, что так называемый первичный феррит является таким же продуктом обычной кристаллизации в процессе у—>a-превращения, как и нормальный феррит. Исследования также показывают, что образование такой структуры связано с большим переохлаждением при кристаллизации и сопровождается наличием междендритного графита, что и объясняет совместное присутствие феррита и цементита: мелкий и разветвленный междендритный графит эффективно инициирует образование феррита при у—а-превращении, в то время как удаленные от этого графита аустенито-цементитные участки не подвергаются графитизации, и структура матрицы соответственно превращается там в нерлито-цементитную. При медленной же кристаллизации образуется равномерно распределенный более крупный графит и структура матрицы при у—>а-превращении становится перлитной без структурно-свободного цементита и «первичного» феррита.

Второй тип анормального феррита, как видно из микроснимка А.А. Жукова (рис. 129, б), образуется по дендритным осям первичного аустенита, а не вокруг графита и не внутри графитной эвтектики, что объясняется «обратной» внутрикристаллической ликвацией кремния. Вследствие низкой концентрации углерода и высокого содержания кремния у—>a-превращение начинается по осям первичного аустенита. Если при этом углерод успевает продиффундировать к графиту в междендритных пространствах, то по осям дендритов выделяется феррит, в противном случае может образоваться обедненный углеродом перлит («разреженный» по терминологии Я.Н. Малиночки, или «псевдоперлит» по терминологии А.А. Бочвара).

Анормальными являются также «обратный» или «внутренний» отбел, наблюдаемый в сером и высокопрочном чугуне и «обратное отсеривание», встречаемое в белом чугуне. Различают следующие виды этих анормальных изломов:

1) с резко ограниченной белой составляющей в центре сечения без переходного промежуточного слоя или с очень редкими серыми включениями в переходной зоне, как на рис. 130, а;

2) с отдельными белыми составляющими в центральной части сечения подобно рис. 130, б;

3) с серой каймой (рис. 130, в) вокруг белого или половинчатого сечения («обратное отсеривание»).

Общим во всех этих случаях является то, что кристаллизация цементитной эвтектики происходит в более толстых и центральных частях отливки, а графитной эвтектики — в более тонких и наружных частях, в то время как следует ожидать обратного явления. Еще более сложным и, по-видимому, более общим случаем является образование ритмических (полосчатых или периодических) структур (рис. 131, а), представляющих чередование разных зон: белых и серых, перлитных и ферритных, с пластинчатым и шаровидным графитом. Такие ритмические структуры, напоминающие кольца Лизенганга в минералах и органических соединениях, встречаются не только в серых, высокопрочных и ковких чугунах, но, как показали А.А. Горшков и Р.А. Сидоренко, также в Ni—C, Co—C и других сплавах.

Причинами образования анормальных изломов считают: высокое содержание серы, водорода, фосфора и магния; низкое содержание углерода и кремния; повышенную скорость охлаждения и большое переохлаждение при кристаллизации центральной части отливки; ликвацию некоторых элементов, в том числе и внутрикристаллическую; расслоение металла в жидком состоянии при плавке чугунов с белым и серым изломом; инокулирующее воздействие формы; образование повышенного давления в центральных частях отливки вследствие усадки металла; малое число зародышей графита и т. п. Это многообразие мнений, по-видимому, является следствием того, что в реальных условиях действительно могут быть весьма разнообразные причины, иногда, казалось бы, маловажные, которых, однако, оказывается достаточно, чтобы изменить характер кристаллизации чугуна.

Если отбросить вопрос о переохлаждении, которое неминуемо должно быть различным при кристаллизации цементитной и графитной эвтектики или пластинчатого и шаровидного графита и которое поэтому ничего объяснить не в состоянии, так как является следствием какой-то действующей причины, то в качестве последней очень часто выдвигается увеличение скорости охлаждения. В связи с этим такую структуру некоторые даже не считают анормальной. Однако следует учесть, что при эвтектическом превращении температура сохраняется более или менее постоянной или даже несколько повышается (см. рис. 20, б). Поэтому о повышении скорости охлаждения может идти речь только в конце кристаллизации, когда вследствие смыкания кристаллов скорость свободной кристаллизации понижается настолько, что становится меньше теплоотвода, и для компенсации избыточно отводимого тепла температура металла понижается и, следовательно, переохлаждение увеличивается. Такую точку зрения развивают многие, в том числе Я.Н. Малиночка, экспериментально доказавший размельчение эвтектических зерен в конце затвердевания. Однако очевидно, что это может относиться только к концу процесса, когда количество жидкой фазы уже весьма незначительно. При этом может образоваться только небольшое количество белой составляющей в отдельных местах центральной части отливки (рис. 130, б). При значительном же развитии белой составляющей (рис. 130, а и в), в том числе при «обратном отсеривании», такое объяснение уже нельзя считать удовлетворительным. В этом случае действуют уже другие факторы и в первую очередь, по-видимому, процессы ликвации, так как само по себе высокое содержание серы, водорода, магния не в состоянии объяснить образование неоднородности строения. Так, например, исследования показали, что одно повышение содержания серы не приводит к образованию «обратного» отбела, водород же является в этом отношении тем более эффективным, чем выше содержание серы в чугуне. Так, например, при чугуне состава: С = 3,37%, Si = 2,02%, Mn = 0,36%, S = 0,24%, P = 1,0%, H2 = 0,9*10в-4 % — не была обнаружена тенденция к образованию «обратного» отбела, в то время как при насыщении его водородом до 3,65—3,85*10в-4 % она резко проявилась одновременно со значительным уменьшением числа зародышей графита. Указанное объясняется, видимо, тем, что с повышением содержания водорода в чугуне увеличивается его ликвация в центральных частях отливки, что и ведет к кристаллизации цементной эвтектики. Такую же роль играет ликвация магния (в %) в высокопрочном чугуне:

Такая ликвация элементов, препятствующих графитизации, может, естественно, вызвать кристаллизацию по метастабильной системе, в то время как при более низких концентрациях этих элементов кристаллизация нормально проходит по стабильной системе. Все же следует отметить, что влияние остальных указанных факторов, несмотря на их меньшее значение, также может проявиться и тогда «обратный» отбел образуется даже при низком содержании серы, водорода и, казалось бы, достаточном числе зародышей графита. Однако во всех случаях следует иметь в виду, что факторы, препятствующие графитизации в сером чугуне и способствующие ей в белом чугуне, соответственно стимулируют образование «обратного» отбела и «обратного» отсеривания.

Что касается механизма образования ритмических структур, то он еще сложнее и менее выяснен. А.А. Горшков считает, что основной причиной, вызывающей такую кристаллизацию, является ликвация элементов (серы, хрома, водорода), которые, будучи оттеснены в жидкую фазу, меняют условия кристаллизации. В связи с этим изменяется теплота затвердевания и происходит даже остановка кристаллизации, вследствие чего образуется резкая граница между отдельными слоями. Эти процессы чередуются, что и приводит к образованию ритмической структуры. Указанное объяснение принципиально совпадает с теорией периодической кристаллизации Н.Т. Гудцова, но, как и последняя, не совсем отвечает процессу непрерывного отвода тепла формой, хотя и поддерживается другими исследователями.

Дефектами, подобными вышеуказанным аномалиям, являются также «черные линии» в отбеленном литье, представляющие выделения графита и вызывающие местное понижение твердости (рис. 131, б). Исследования показали, что образование этой аномалии происходит в пределах белой зоны вследствие замедления охлаждения. Замедление кристаллизации может быть следствием притока перегретого металла после остановки заливки или турбулентного передвижения жидкого чугуна. При этом указанный дефект располагается тем ближе к поверхности, чем выше температура заливки, чем короче остановка при заливке металла и чем медленней затвердевание. Для устранения этого порока необходимо повышать температуру заливки и подводить металл в форму равномерно и без перегрева. В этом случае кристаллизация происходит равномерно или нарушение этой равномерности, благодаря движению металла и притоку тепла, задерживающим затвердевание, происходит еще до начала эвтектической кристаллизации и не приносит вреда. И действительно, специальные опыты показали возможность искусственного образования «черной линий» на отбеленном чугуне при перегреве металла и пропуске через отливку лишнего чугуна после заполнения формы.