Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок 1 страница

Можно принять как аксиому известную из курса материалове­дения зависимость, согласно которой чем мельче зерно, тем выше

механические свойства. Кроме того, установлено, что размер зер­на зависит от скорости затвердевания или расстояния от поверх­ности: чем больше скорость за­твердевания, тем меньше размер зерна и чем дальше от поверх­ности, тем крупнее зерно. В то же время известно, что чем тонь­ше стенка, тем больше средняя скорость затвердевания или, на­оборот, чем толще стенка, тем меньше средняя скорость затвер­девания.

Поэтому при испытаниях отдельно отлитых заготовок разного диаметра или выточенных из них стандартных образцов значения их прочности будут подчиняться зависимости: чем больше диа­метр литых образцов, тем меньше их прочность.

Степень понижения соответствующих величин механических свойств сплавов в зависимости от толщины стенки отливки или диаметра заготовок зависит от природы сплава и его состава. На­пример, для немодифицированного сплава АЛ2 в литературе при­водятся следующие данные: временное сопротивление (предел прочности при растяжении) образцов диаметром

15; 30; 45; 60 мм равно соответственно, Н/мм² (кгс/мм²): 132(13,5); 127(13,0); 118,6 (12,1); 109,8(11,2).

Более выраженную склонность понижать механические свой­ства при увеличении толщины стенок имеют сплавы типа твердых растворов (АЛ7, АЛ8) по сравнению с эвтектическими сплавами. Для сплава АЛ7 можно привести следующие данные:

Диаметр заготовки, мм............... 15 30 45 60

, Н/мм²..................................... 177,4 105,8 83,3 73,5

Такая же сильная зависимость от толщины стенки характерна для отливок из серого чугуна СЧ15 (ГОСТ 1412—85):

Толщина стенки, мм.......... 4 8 15 30 50 80 150

, Н/мм², не менее........... 270 220 150 110 105 90 80

Поэтому при оценке прочности отливок часто приходится из­готовлять разные заготовки соответственно толщине стенки от­ливок и из них вытачивать образцы для испытаний с тем боль­шим диаметром, чем толще стенка отливки. Например, для от­ливок из серого чугуна рекомендации сводятся к следующему (ГОСТ 1412-85):

Толщина стенки отливок, мм... До 15 15...30 20...50 50... 70

Диаметр заготовки, мм ............. 20 30 40 50

Диаметр образца, мм................. 10 15 20 25

При еще большей толщине стенок следует изготовлять заго­товки для образцов в виде приливов к соответствующим сечениям отливок, что должно быть указано в технических условиях.

ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ

Выбор сплава для изготовления отливки является сложной за­дачей, которая решается, как правило, конструктором. При от­сутствии подходящего известного сплава конструктор ставит за­дачу металловедам (которые являются, как правило, разработчи­ками сплавов) о модернизации сплава, по комплексу свойств наи­более близкого к требуемому. При отрицательном результате ста­вится новая задача разработки - синтез нового сплава, отвечаю­щего заданным техническим условиям.

В соответствии с Государственным образовательным стандар­том разработка новых сплавов не входит в государственные требо­вания к минимуму содержания и уровня подготовки инженера по специальности 120300 «Машины и технология литейного произ­водства». Тем не менее, инженер-литейщик должен иметь пред­ставления о принципах разработки новых сплавов. Именно с этой целью в учебник введена данная глава.

Термин синтез сплавов предложил Б.Б.Гуляев [6], под­разумевая при этом разработанную им методику синтеза (разра­ботки) новых сплавов. В соответствии с этой методикой синтез сплавов необходимо проводить по определенной схеме, включа­ющей:

• формирование технических требований, определяющих глав­ное свойство, которое необходимо оптимизировать, и ограниче­ний;

• выбор основы сплава, обычно определяемой в технических требованиях;

• выбор ряда легирующих добавок, которые могут повышать служебные свойства и удовлетворять по экономическим критери­ям, а также определение вредных примесей;

• оценку влияния легирующих элементов на технические свой­ства, выбор легирующего комплекса;

• выбор конкретного сплава, режима его термической обра­ботки и проверку и корректировку состава в лабораторных и про­изводственных условиях.

Выбор ряда легирующих элементов проводится по двойным диаграммам состояния. К настоящему времени создано много двойных диаграмм, которые можно использовать по совокупности, т. е. подбирать двойные диаграммы состояния выбран­ной основы с остальными эле­ментами. Следует отметить, что использование двойных диаг­рамм состояния при разработ­ке новых сплавов носит при­ближенный характер, так как компоненты сплава обычно взаимодействуют между собой, и комплексное введение доба­вок оказывается, как правило, более эффективным, чем вве­дение одной добавки.

Предложено при разработке новых сплавов и анализе суще­ствующих использовать, по крайней мере, четыре наибо­лее важных критерия, которые

Рис. 4.1. Схемы к определению определяются положением трех механических свойств сплава точек на диаграмме состояния, на основе диаграммы состояния А-В: 1 - медленное охлаждение; 2 - за­калка; 3 - закалка и старение

Для примера на рис. 4.1, а рас-

смотрена абстрактная двойная система А—В, здесь С_р — пре­дельная растворимость компо­нента в основе сплава; С_эвт —

'эвт

эвтектическая концентрация и С_{х с} — концентрация компонента в его химическом соединении с основным элементом.

Первым критерием является сама величина С_р, вторым — ко­эффициент распределения К_распр (см. уравнение (3.28)), третьим — коэффициент относительной температуры К_т = Т_осн/Т_эвт (где Т_осн - температура плавления основы сплава; Т_эвт - температура эвтекти­ческого превращения) и, наконец, четвертым - коэффициент тер­мической обработки = (С_хх- С_р)/(С_хс - С_{р к}) (где С_{р к} - пре­дельная растворимость компонента при нормальной температуре).

Под диаграммой состояния приведены схемы зависимостей вре­менного сопротивления (предела прочности при растяжении) а_в (рис. 4.1, б) и относительного удлинения 5 (рис. 4.1, в) сплавов от их состава.

При концентрациях второго компонента от 0 до С_{р к} характе­ристики прочности всегда возрастают (имеет место так называе­мое растворное упрочнение), при этом термическая обработка сплавом не воспринимается (как, например, малоуглеродистые стали). При увеличении концентрации второго компонента от С_р<к до С_р прочность продолжает увеличиваться, при этом появляется возможность использовать термообработку. Склонность сплавов к термической обработке характеризуется коэффициентом К_т.₀: чем он меньше, тем термическая обработка эффективнее.

Рис. 4.2. Диаграмма отсеивания добавок и примесей по критериям диа­грамм состояния для конструкционных сплавов на основе алюминия [6]

При медленном охлаждении (как правило, в литом состоянии) интерметаллидная фаза выделяется в виде крупных включений, и прочность возрастает незначительно (кривые 7). При закалке (кри­вые 2) интерметаллидное химическое соединение переходит в ра­створ и фиксируется в нем. При старении после закалки (кри­вые 3) оно выделяется в мелкодисперсном состоянии и увеличи­вает прочность.

Пластические свойства сплавов зависят не только от концентра­ции легирующего компонента, но и от его распределения в структу­ре, определяемого коэффициентом распределения При выше 0,1 и небольших значениях С_р = 0,1 ...2,0 % элементы повы­шают пластичность. При _р = 0,01 ...0,1 и С_р = 0,1 ...0,5 % плас­тичность начинает плавно снижаться. При _р менее 0,01 и С_р = = 0,01 ...0,1 % компоненты сильно снижают пластичность и вызы­вают охрупчивание.

Для анализа влияния различных элементов Б. Б. Гуляев предло­жил использовать статистические диаграммы отсеивания, в кото­рых каждый элемент для данной основы сплава обозначается точ­кой в координатах К_распр - С_р. Для примера на рис. 4.2 приведена диаграмма отсеивания для сплавов на основе алюминия [6]. При­нимая пороговые значения А^р и С_р, по экспериментальным дан­ным поле диаграммы можно разделить на четыре области:схемы обобщенных зависимостей технологических свойств от по­ложения сплавов на диаграмме состояния, взятые из работ А. А. Боч- вара, Б.В.Гуляева и Г.Ф.Баландина.

Рис. 4.3. Зависимость литейных свойств сплавов от состава и соответству­ющего положения на диаграмме состояния: 1 - жидкотекучесть; 2 - относительная объемная усадка; 3 - относительный объем усадочной раковины; 4 - герметичность отливок; 5 - склонность к обра­зованию горячих трещин; 6 - склонность к дендритной ликвации; 7 - склон­ность к прямой зональной ликвации; 8 - склонность к гравитационной ликва­ции; 9 - склонность к обратной ликвации

Приведенные схемы показывают, что сплавы, расположенные вблизи предельной растворимости С_р, имеют высокие механичес­кие свойства, но низкие литейные свойства: низкую жидкотеку­честь, высокие значения склонности к пористости, дендритной и обратной ликвации. Часто выбор осуществляется в пользу механи­ческих свойств, и поэтому приходится затрачивать большие уси­лия и применять дорогостоящие технологические процессы для изготовления отливок из нетехнологических сплавов.

У сплавов эвтектического (С_эвт) или околоэвтектического со­става, как правило, высокие литейные свойства, благодаря чему из них можно получить дешевые отливки высокого качества. Од­нако прочность и пластичность у таких сплавов невысокие.

Сравнительно хорошими литейными свойствами и высокой пластичностью обладают сплавы с низкой концентрацией доба­вок, но прочность их довольно низкая.

И только сплавы, состав которых находится между предельной растворимостью и эвтектической концентрацией, сочетают удов­летворительные механические и литейные свойства.

Очевидно, что при выборе сплава необходимо исходить из тех­нических требований к отливкам.

Если определен комплекс легирующих элементов, то оптими­зацию состава сплава можно проводить в процессе активных экс­периментов, планы которых и обработку результатов на ЭВМ сле­дует осуществлять с использованием статистических методов. Точно так же решается вопрос о технологии модифицирования: соста­ве, количестве и условии его введения.

Важную роль при разработке сплава и технологии модифици­рования следует отводить экономическому аспекту.

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

5-1- Чугуны

Сплавы железо-углерод, обладая хорошим комплексом меха­нических, конструкционных и технологических свойств, благода­ря своей невысокой стоимости получили наибольшее применение во всех отраслях промышленности. К этому классу материалов от- носятЬя стали и чугуны, которые, как правило, являясь многоком­понентными сплавами, в основном состоят из двух главнейших элементов: железа и углерода. Поэтому только с известным при­ближением их можно рассматривать как двойные сплавы Fe-С и использовать для изучения два традиционных варианта диаграмма- мы состояния в совмещенном виде, как приведено на рис. 5.1. Сплошными линиями на диаграмме нанесены линии метастабиль- ного состояния (это цементитная диаграмма Fe-Fe₃C), штриховы­ми - линии стабильного состояния (это графитная диаграмма желе­зо-графит (Fe-С)). В метастабильной системе углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, но при длительных выдерж­ках в интервале температур 650... 730 °С цементит распадается с об­разованием свободного углерода (графита), поэтому в присутствии цементита диаграмма считается не вполне устойчивой.

Двойственное толкование диаграммы Fe-С объясняется пове­дением железоуглеродистых сплавов, в которых углерод действи­тельно наблюдается то в связанном состоянии в форме цементи­та, то в свободном состоянии в форме графита. Наиболее четко это проявляется в чугунах, которые затвердевают либо «по-бело­му» (углерод связан в виде Fe₃C), либо «по-серому» (углерод в структуре находится в виде графита).

Сталью называют железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2,14% С, т.е. сплавы, в которых не образуется эвтектика (см. диаграмму).

К чугунам относятся железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С и имеющие в своем составе эвтектику. В структуре двойных сплавов Fe-С в зависимости от состава и температуры могут быть следующие фазы:

• жидкий раствор - единая фаза, существующая при температурах выше линии ликвидуса;

• аустенит - высокотемпературная пластичная фаза, явля­ющаяся твердым раствором внедрения углерода в у-железе; пре-

Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо—углерод (---- — стабильное фазовое равновесие Fe—Графит (С); метастабильное фазовое равновесие Fe—Цементит

дельная растворимость углерода составляет 2,14% при эвтекти­ческой температуре (1147 или 1153 °С);

• цементит - химическое соединение - карбид железа Fe₃C, содержит 6,67 % С. Цементит является самой твердой (НВ 800), но в то же время и хрупкой фазой сплавов Fe-С, при­дающей, например, чугунам, имеющим в своем составе структурно свободный цементит, высокую твердость, хрупкость и плохую об­рабатываемость;

• феррит - твердый раствор внедрения углерода в б-железе с содержанием 0,025 % С. Под микроскопом на травленом шлифе феррит имеет вид зерен, разделенных ясно видимыми границами. Твердость феррита небольшая (НВ 100... 150), он легко обрабаты­вается резцом;

• перлит - эвтектоидная смесь феррита с цементитом, об­разующаяся во всех точках по линии psk, т.е. во всех сталях и чугунах;

• ледебурит - это эвтектика, которая начинает формиро­ваться по линии ECF, т.е. это фаза, присутствующая только в чугунах. При этом в доэвтектических чугунах структура состоит из ледебурита с избыточным аустенитом, а в заэвтектических - из ледебурита с избыточным цементитом. В результате вторичных пре­вращений аустенит (избыточный и входящий в ледебурит) распа­дается с образованием перлита (в сталях и чугунах) или феррито- графитной эвтектоидной смеси (в чугунах).

Кроме основных элементов стали и чугуна (Fe и С) в сплаве всегда присутствуют примеси-спутники: Si, Mn, S и Р. В обычных углеродистых сталях содержание этих примесей составляет, %: Si 0,3...0,4; Мп 0,5...0,8; S 0,045...0,06 и Р 0,04...0,08.

В обычных серых чугунах содержание данных примесей, как правило, больше, %: Si 1,0...2,5; Мn 0,5... 1,1; S менее 0,12...0,15 и Р менее 0,3.

По влиянию на структуру указанные примеси можно подраз­делить на два класса:

• примеси, различаемые под микроскопом в микроструктуре (к ним относятся сера и кислород, связанные в виде сульфидов и оксидов);

• примеси, неразличимые под микроскопом (Si, Мn, Р).

В основе такого разделения лежат следующие явления. Сера и кислород практически не растворимы в твердом железе и образу­ют химические соединения, различимые под микроскопом. Мар­ганец, кремний и фосфор, наоборот, могут растворяться в твер­дом железе в количестве, большем, чем их содержание в обычных углеродистых сталях и серых чугунах. Следует отметить, что ра­створимость фосфора в железе зависит от содержания углерода. При содержании углерода в твердом железе, равном нулю, раство­римость составляет 1,2 % Р, при 3,5 % С растворимость уменыпает- ся до 0,3 % Р. Поэтому, присутствуя в качестве примеси в незначи­тельном количестве, марганец, кремний, фосфор не могут быть различимы под микроскопом, если только они не соединены с S и О в виде неметаллических включений (см. подразд. 3.10).

Установлено, что форма неметаллических включений зависит в значительной мере от того, насколько соединение легкоплавко, т.е. затвердевает оно до или после затвердевания металла. Если соединение тугоплавко, то оно может образовываться в виде зе­рен еще в жидком металле, а не располагаться по границам зерен твердого металла, как легкоплавкие соединения. В случае туго­плавких соединений включения могут находиться внутри зерен, так как они оказываются центрами кристаллизации. Если же со­единение легкоплавко само по себе или образует еще более лег­коплавкую эвтектику, то оно будет располагаться по границам зерен, ухудшая свойства сплава.

Высказанное положение может быть проиллюстрировано на примере сульфидов MnS и FeS. Сульфид марганца имеет высокую температуру плавления - 1620 °С и обычно присутствует в сплаве в виде обособленных включений. Сульфид железа относительно легкоплавок (t_Kp = 1193 °С) и при избытке серы образует при 985 °С легкоплавкую эвтектику Fe-FeS, которая располагается по гра­ницам зерен, затвердевая позже, чем основная масса металла.

В результате в сталях возникает красноломкость при обработке давлением при температурах 850... 1150 °С, а в затвердевающих от­ливках из углеродистых сталей при температурах порядка 1450... 1500 °С возможно образование горячих трещин. Следует от­метить, что сульфид железа или эвтектика Fe-FeS являются об­щей причиной трещин при обработке давлением и литье. Но об­разование трещин происходит в разных интервалах температур: при обработке давлением - 850... 1150 °С, при литье - в интерва­ле температур кристаллизации (1450... 1500°С).

Понятно, что MnS является гораздо менее вредным, чем FeS или эвтектика Fe-FeS, и поэтому на практике в сталях и чугунах стремятся иметь достаточное количество Мп для связывания всей серы и не допустить образования FeS. При этом, так как марганец имеет большее сродство к сере, чем железо, достаточно, чтобы выполнялось неравенство Mn/S > 1,71. Практически содержание марганца берут с запасом: Mn/S = 3...5 и даже 7.

Испытания показали, что твердый раствор, образуемый фос­фором в железе, значительно отличается от твердых растворов Si и Мп тем, что резко снижает пластические свойства сталей, осо­бенно ударную вязкость. Содержание фосфора в стали 0,1 ...0,2 % приводит к ее хрупкости при комнатной температуре и особенно при отрицательных температурах (на морозе). Хрупкость при отрицательных температурах обычно называют хладноломко­стью.

Хрупкость при содержании фосфора ОД ...0,2% используют в автоматных сталях для облегчения снятия стружки. В серые чугу­ны для повышения жидкотекучести вводят фосфор в количествах, больших 0,3 %. В этом случае в чугунах образуется фосфидная эвтектика Fe(P) + Fe₃C + Fe₃P с температурой плавления на 150...200°С ниже температуры затвердевания основной массы чугуна.

Фосфидная эвтектика (с т э д и т) в чугунах расположена по гра­ницам зерен. При содержании фосфора в чугуне выше 0,6 % вклю­чения фосфидной эвтектики образуют почти непрерывную сетку, чугун становится хрупким и обладает только упругими свойства­ми, что используется при изготовлении индивидуально отливае­мых поршневых колец.

Содержание кремния в серых чугунах значительно больше, чем в углеродистых сталях, поэтому он влияет на положение крити­ческих точек: несколько снижается эвтектическая температура и уменьшается эвтектическая концентрация углерода, а температу­ра эвтектического превращения повышается. В настоящее время считается необходимым использовать тройную диаграмму состоя­ния Fe-С-Si.

Однако следует заметить, что названные смещения критичес­ких точек и химического состава на диаграмме Fe-С в настоящее время успешно учитываются удобными для практического пользо­вания специальными характеристиками: степенью эвтектичности S_3BT и аналогичным по смыслу углеродным эквивалентом С_экв [5].

Степень эвтектичности определяется из выражения

(5.1)

Для вычисления углеродного эквивалента (%) можно исполь­зовать следующие три уравнения:

; (5.2)

(5.3)

(5.4)

В приведенных уравнениях (5.1)... (5.4) для S_3BT и С_экв под сим­волом каждого химического элемента понимается его содержание в чугуне (%). Эти уравнения позволяют найти положение конк­ретного многокомпонентного чугуна с содержанием углерода С_экв на двойной диаграмме Fe-С и определить, например, темпера­туры ликвидуса и солидуса для чугуна данного состава.

На практике чаще решают обратную задачу. Снимают кривую охлаждения, определяют Т_л, а по ней находят химический состав чугуна, во всяком случае его углеродный эквивалент. Ранее, а в некоторых случаях и сейчас, пользуются простой суммой содер­жания углерода и кремния (например, см. далее рис. 5.7).

Одной из самых ярких отличительных особенностей чугунов, свойственной только им, является зависимость их структуры не только от химического состава чугуна, но и от скорости охлажде­ния (затвердевания и последующего остывания) или в практи­ческом смысле от толщины стенки отливки. Кроме того, структу­ра чугунов зависит также от модифицирования. Применяя моди­фицирование, можно чугун, который после затвердевания дол­жен быть белым, получить серым.

В соответствии с двойной диаграммой Fe-С возможно полу­чение только двух видов чугуна: белого со структурой перлит + ледебурит + цементит (П+Л + Ц) и серого ферритного со структурой феррит + графит (Ф+Г). Практически же при одном и том же химическом составе кроме названных двух видов с их структурой получают еще по крайней мере три вида чугуна: по­ловинчатый со структурой перлит + цементит + графит (П+Ц+Г), перлитный (П + Г) и перлито-ферритный (П+Ф + Г).

При этом кроме модифицирования управляющим фактором является скорость охлаждения или толщина стенки отливки. Рас­смотрим подробнее названные пять типов (видов) чугунов.

Белый чугун состоит в основном из перлита и цементита. Структура заэвтектического белого чугуна - П+Л (рис. 5.2, а), эв­тектического - Л+Ц (рис. 5.2, б), доэвтектического (рис. 5.2, в) - Л (ледебурит). Сам ледебурит является эвтектической смесью перлита и цементита. Поэтому общую структурную форму белого чугуна можно представить в виде П+Ц, подразумевая под цементитом структурно свободный первичный, вторичный и ледебуритный цементит.

Рис. 5.2. Структура белого чугуна: а - заэвтектический (х50); б - эвтек­тический (х100); в - доэвтектический (х100)

В белом чугуне весь углерод находится в виде химического со­единения с железом, за исключением углерода растворенного в феррите (0,025% С). Белый чугун редко применяют в машино­строении, лишь в тех случаях, когда деталь работает на износ (распределительные валы, щеки камнедробилок, катки для мос­товых, прокатные валки, вагонные колеса и т.п.). При этом де­таль отливают таким образом, чтобы только у рабочей поверхно­сти получился белый чугун, а в центре сечения должен быть се­рый чугун. Такие отливки называют «отбеленными». Связано это с тем, что сквозной отбел можно получить только в отливках с тол­щиной стенки менее 50 мм. Белый чугун применяют также в про­изводстве ковкого чугуна. При этом сначала детали отливают из белого чугуна, а затем подвергают длительному графитизирую- щему отжигу. В настоящее время отливки из ковкого чугуна применяют все реже из-за их дороговизны и заменяют ковкий чугун высокопрочным чугуном с шаровидным графитом.

5.3. Перлито-цементитный чугун (х 250)

Половинчатый перлито-цементитный чугун состоит из перлита, включений структурно свободного цементита и плас­тинчатого графита (рис. 5.3). При модифицировании чугуна маг­ниевыми лигатурами структура может получиться перлито-цемен- титной с шаровидным графитом. Отливки из половинчатого чугу­на плохо обрабатываются, для машиностроительных отливок он практически не применяется. Обычно встречается как брак при производстве отливок из серого чугуна, в некоторых случаях ис­правляемый графитизирующим отжигом. При изготовлении отли­вок из чугуна с шаровидным графитом отжиг является обязатель­ной технологической операцией.

Серый чугун в литом состоянии обязательно имеет в своей структуре свободный графит различной формы, чаще всего плас­тинчатый. По структуре основной металлической матрицы отливки из серого чугуна могут принад­лежать к одному из следующих трех типов.

Перлитный серый чугун состоит из перлита и, например, пластинчатого или шаровидного графита (рис. 5.4). Из всех серых чу­гунов с пластинчатым графитом перлитный чугун обладает наи­большей прочностью, умеренной твердостью и хорошей обрабаты­ваемостью.

Перлито-ферритный чу­гун состоит из перлита, феррита и графита (рис. 5.5). Пластинки гра- р_ис. фита в таком чугуне получаются более крупными, чем в перлитном чу­гуне. Перлито-ферритный чугун обладает меньшими прочностью и твердостью и лучшей обрабатываемостью по сравнению с перлит­ным чугуном. Феррит обычно располагается вокруг графитовых вклю­чений в виде оторочки. Структура П + Ф + Г чаще всего встречается в машиностроительном литье.

Ферритный серый чугун (рис. 5.6) состоит из феррита и графита, включения которого крупнее, чем в перлитном и перли- то-ферритном чугунах. Он имеет меньшую прочность и твердость, быстро изнашивается, очень легко обрабатывается. Часто в феррит- ных чугунах графит получают шаровидной формы (рис. 5.6, б).

а б Рис. 5.4. Перлитный серый чугун с пластинчатым (а) и сфероидальным (б)графитом: а – х300; б - х400

Рис. 5.5. Перлито-ферритный серый чугун с пластинчатым (а) и сферо­идальным (б) графитом: а - х500; б - х400

Рис. 5.6. Ферритный серый чугун с пластинчатым (а) и сфероидальным (б) графитом: а - х250; б - х400

б

а

Совместное влияние химического состава и скорости охлажде­ния (толщины стенки) на структуру чугунов. Для получения пра­вильного представления о конечной структуре или типе чугуна необходимо совместное рассмотрение влияния химического со­става и скорости охлаждения (затвердевания и последующего ос­тывания). Наиболее часто о химическом составе чугуна судят по углеродному эквиваленту, определяемому по уравнению (5.4), или просто по сумме содержаний С + Si. Скорость охлаждения характе­ризуется

толщиной стенки отливки.

Совместное влияние хи­мического состава и скорос­ти охлаждения чаще всего от­ражают в так называемых структурных диаграм­мах. Одной из первых на­глядных структурных диаг­рамм является диаграмма Грейнера и Клингенштейна (рис. 5.7), построенная для отливок, получаемых в пес- чано-глинистых формах. Поле диаграммы в координатах (С+Si) - толщина стенок (диаметр) отливки разделено линиями на пять областей, каждая из которых соответствует перечислен­ным выше типам чугунов: область 1- белый чугун (П + Ц); 2 - половинчатый чугун (П + Ц + Г); 3 - перлитный чугун (П + Г); 4 - перлито-ферритный чугун (П + Ф + Г) и 5- ферритный чугун

(Ф + Г).

Область перлитных чугунов ограничена сверху горизонталью, соответствующей 5,3 % (C+Si), ниже этого предела свойства улуч­шаются особенно сильно в связи с уменьшением содержания (C+Si) за счет уменьшения количества графита.

Рис. 5.7. Структурная диаграмма Грейнера и Клингенштейна

Из диаграммы следует, что перлитный чугун обладает наилуч­шим свойством давать однородную структуру (П+Г) при колеба­ниях толщины стенок в широких пределах. Это свойство перлит­ного чугуна, так называемая квазиизотропия, в большей сте­пени присуща чугуну с низким значением C+Si. Чугуны других структур таким ценным свойством не обладают. Остальные поля на диаграмме узкие, и только поле 3 сильно расширяется вниз.