Характеристики тепловой и электрической проводимости чугуна

22.10.2019

Величина теплопроводности (Л кал/см*сек*град) и связанные с ней коэффициенты температуропроводности (а = Л/ус см2/сек) и тепловой активности (b = VЛус кал/см2*сек*град) влияют на условия кристаллизации, определяют в некоторой мере получающиеся в отливках усадочные раковины и напряжения, а также те предельные скорости нагрева и охлаждения, которые допустимы для отливки той или иной конфигурации. Эти тепловые свойства играют большую роль для таких отливок, как отопительные трубы, изложницы, детали холодильных установок и двигателей внутреннего сгорания и т. д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода тепла от них.

Электропроводность (у = 1/р мком-1*см-1) или обратное ей электросопротивление (р мком*см) имеют значение для таких отливок, как реостаты и электронагревательные элементы. Кроме того, величина электросопротивления, будучи связана с потерями на токи Фуко обратно пропорциональной зависимостью, имеет значение для отливок, работающих в переменном магнитном поле.

В противоположность теплоемкости и тепловому расширению, электропроводность и теплопроводность определяются главным образом не кинетической и потенциальной энергией ион-атомов, а движением свободных обобщенных электронов. С увеличением температуры и амплитуды колебаний ион-атомов сопротивление движению свободных электронов повышается. Поэтому показатели проводимости чугуна, в противоположность тепловому расширению и теплоемкости, понижаются с повышением температуры:

Так как природа теплопроводности в общем аналогична электропроводности (в обоих случаях перенос энергии осуществляется главным образом свободными электронами), то оба свойства связаны между собой, согласно правилу Видеманна—Франца, определенным отношением, называемым числом Лоренца (L),
Характеристики тепловой и электрической проводимости чугуна

Однако это правило следует рассматривать как граничное, применимое только для чистых металлов и высоких температур. Тем более, следовательно, оно неприменимо для чугуна с характерными для него сложной структурой и процессом графитизации. Действительно, число Лоренца составляется для белого чугуна около 0,7*10в-2, для серого чугуна с мелким графитом — 0,8*10в-2 и для серого чугуна с крупным графитом — 2,5*10в-2. Графитизация, таким образом, различно влияет на теплопроводность и электропроводность чугуна, что является основной причиной непостоянства отношения (III. 74). Несмотря на это, принципиальное влияние разных факторов на теплопроводность и электропроводность чугуна в большинстве случаев аналогично и изменения этих свойств следуют в общем одним закономерностям.

Проводимость чугуна в большей степени, чем какое-либо другое физическое свойство, зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством. В этом отношении характеристики проводимости, определяющиеся пробегом свободных электронов, радикально отличны от теплоемкости и теплового расширения, обусловленных энергией колебания ион-атомов. Соответствующие средние значения проводимости основных структурных составляющих можно оценить следующим образом:

Таким образом, из всех структурных составляющих чугуна цементит обладает минимальной теплопроводностью, а графит — минимальной электропроводностью и максимальным электросопротивлением. Поэтому графитизации, как видно из рис. 262, различно влияет на тепло- и электропроводность, повышая первую и понижая вторую, что, вероятно, является одной из причин неприменимости правила Видеманна—Франца и непостоянства числа Лоренца для чугуна.

Указанное влияние графитизации значительно меньше при шаровидном графите, что подтверждается рис. 263, так что в некоторых случаях им вовсе можно пренебречь (рис. 264), как это следует, например, из работы Б.Б. Купровского и П.В. Гельда. В этом случае сталь с таким же содержанием кремния (2,2%), как в высокопрочном чугуне, практически не отличается от него по своей теплопроводности. Таким образом, шаровидный графит либо вовсе не влияет на проводимость (рис. 264), либо изменяет ее только в небольшой степени (рис. 263). При пластинчатом же графите это влияние очень велико (рис. 264 и 265), что дало возможность В.П. Чернобровкину применить измерение электросопротивления как метод контроля и анализа механизма графитизации. И, действительно, как видно из рис. 266, электросопротивление серого чугуна, в противоположность белому и высокопрочному значительно возрастает в процессе кристаллизации, что свидетельствует о выделении в нем графита во время затвердевания. Однако о времени выделения шаровидного графита трудно судить по этим данным ввиду того, что его влияние, в противоположность пластинчатому графиту, весьма ограничено.

Таким образом, форма графита, величина его выделений и распределение оказывают большое влияние на показатели проводимости. Вследствие этого высокопрочный чугун характеризуется более низкой теплопроводностью, чем серый чугун, теплопроводность которого тем выше, чем больше и крупнее выделения графита. Поэтому теплопроводность серого чугуна увеличивается с повышением в нем содержания углерода (рис. 264), чему способствует в этом случае и большая ферритизация матрицы, однако с повышением температуры разница в проводимости разных чугунов резко уменьшается. Несмотря на это, можно утверждать, что чугун с высоким содержанием углерода и с крупным графитом характеризуется низкими напряжениями не только вследствие малого модуля упругости, но и вследствие более высокой теплопроводности. В то же время электропроводность, в противоположность теплопроводности, понижается, а электросопротивление увеличивается с укрупнением графита:

По этой же причине электросопротивление при литье в песчаные формы заметно выше, чем при литье в кокиль. Таким образом, и в этом отношении влияние графита на тепло- и электропроводность качественно противоположно. Все это является, по-видимому, следствием строения, расположения и большой анизотропии графита. Пластинчатый графит располагается базисными плоскостями вдоль своих вытянутых выделений, образуя таким образом дополнительные цепочки высокой теплопроводности, особенно при взаимном пересечении пластинок. Разрозненные же включения шаровидного графита и углерода отжига уже не действуют столь эффективно и почти не оказывают какого-либо влияния, как это видно из сравнения показателей стали с 2,2% Si и высокопрочного чугуна (рис. 264), тем более, что эти образования вследствие своей поликристалличности уже не характеризуются такой анизотропностью и высокой теплопроводностью. Интересно отметить, что содержание углерода и количество графита также не имеет при этом значения (рис. 264). То же можно сказать и в отношении электропроводности с той только разницей, что вследствие меньшей проводимости, чем у матрицы, графит понижает электропроводность и повышает электросопротивление опять-таки наиболее интенсивно при пластинчатых выделениях в сером чугуне. Более того, при графитизации с образованием углерода отжига или шаровидного графита электросопротивление (р в мком*см) может даже иногда уменьшиться, как это видно из данных В.С. Меськина и Б.Е. Сомина по отжигу белого чугуна:

Как уже указывалось, в противоположность теплоемкости и тепловому расширению, характеристики проводимости в сильной степени зависят не только от количественного соотношения структурных составляющих, но и от формы и дисперсности структуры, в том числе основной массы чугуна, с увеличением которой проводимость, в особенности теплопроводность, уменьшается. Поэтому проводимость чугуна интенсивно уменьшается с переходом структуры основной массы от феррита к перлиту, сорбиту, трооститу и мартенситу. Малой проводимостью характеризуется также аустенитная структура вследствие своего более плотного строения и большей растворимости элементов. Точно так же и всякого рода включения, раковины и межкристаллитная пористость понижают характеристики проводимости. Поэтому отливки имеют тем большую теплопроводность и электропроводность, чем больше их плотность.

Влияние элементов на проводимость чугуна определяется изменением количества и формы графита и образованием твердых растворов и специальных фаз. Почти все примеси, в том числе и газы, образуя твердые растворы, искажают решетку металла и, препятствуя движению свободных электронов, понижают проводимость. Наиболее резко влияют небольшие содержания примесей, в особенности по отношению к электропроводности, причем твердые растворы характеризуются меньшей проводимостью, чем механические смеси; это влияние элементов тем больше, чем дальше они отстоят от железа по таблице Д.И. Менделеева. Кроме того, изменяя степень графитизации чугуна, они также оказывают влияние на проводимость, в особенности на теплопроводность. Общее результирующее влияние элементов па эти свойства (у и Л) может быть поэтому представлено в следующем виде:

Элементы, увеличивающие графитизацию, повышают теплопроводность и наоборот; электропроводность же, как правило, понижается при всяком легировании. Поэтому с увеличением содержания кремния теплопроводность чугуна особенно заметно падает в том случае, когда степень графитизации остается без изменения, например, при испытании чугуна в отожженном состоянии (рис. 267) и может несколько повыситься, если степень графитизации увеличивается. Однако в большинстве случаев влияние кремния оказывается даже в сером чугуне отрицательным, так как его легирующее действие превалирует над графитизирующим. Тем более это справедливо в отношении ковкого и высокопрочного чугуна, где графит оказывает весьма незаметное влияние. В этом случае теплопроводность понижается с увеличением содержания кремния даже в том случае, если количество феррита в структуре несколько увеличивается. Поэтому низкокремнистые чугуны, в том числе ковкие, отличаются наиболее высокой теплопроводностью:

Еще резче проявляется отрицательное влияние кремния на белом чугуне вследствие полного отсутствия графитизирующего действия.

Подобно кремнию, влияние углерода также различно в разных чугунах. В противоположность серому чугуну, углерод в ковком и высокопрочном чугунах почти не оказывает влияния на теплопроводность, так как графит в этих чугунах малоэффективен. В белом же чугуне углерод, увеличивая количество цементита в структуре, понижает теплопроводность.

Что касается электропроводности, то в этом отношении углерод и кремний действуют во всех случаях отрицательно, повышая электросопротивление, причем в сером чугуне это влияние особенно велико благодаря наличию пластинчатого графита. Поэтому серый чугун с высоким содержанием углерода и кремния характеризуется наиболее высоким электросопротивлением — до 200 мком*см (рис. 268). При этом с повышением содержания углерода и кремния уменьшается еще зависимость электросопротивления от температуры (температурный коэффициент электросопротивления — положительная величина), что очень ценно для условий службы литых реостатов (в среднем можно принять этот коэффициент равным 0,001—0,002 1/град для обычного чугуна и в 2—5 раз меньше — для аустенитного чугуна). Высокопрочный и особенно ковкий чугун характеризуются электросопротивлением в 2—3 раза меньшим, чем у серого чугуна. Однако, как видно из рис. 269, и здесь ясно вырисовывается влияние структуры матрицы и содержания кремния.

Марганец и особенно фосфор и никель (рис. 267) понижают характеристики проводимости вследствие выделения фосфидов и образования твердых растворов. Алюминий же повышает электросопротивление:

Однако в зависимости от изменения количества графита алюминий может различно влиять на теплопроводность. Медь в пределах до 1% уменьшает проводимость чугуна с интенсивностью примерно в 2 раза меньшей, чем кремний, а затем повышает ее вследствие выделения самостоятельной фазы высокой проводимости. Хром, вольфрам, молибден и кобальт, по-видимому, несколько повышают проводимость чугуна, ванадий же при концентрациях до 0,12% не оказывает в этом отношении влияния.

В литературе имеются попытки математически выразить зависимость проводимости чугуна от его состава, однако эти формулы следует считать грубо приближенными. В качестве примера приводится следующее выражение для ориентировочного определения электросопротивления серого чугуна:

Сопоставление характеристик проводимости разных чугунов (обычных и специальных) приводится в табл. 36.

Из таблицы видно, что высоколегированные чугуны характеризуются более низкой проводимостью, чем обычные. В этом отношении особенно отличаются алюминиевые и хромовые чугуны, Однако некоторые из приведенных данных еще требуют проверки.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна