ЛИТЬЕ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1. СВОЙСТВА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Особенностью магниевых сплавов является малая плотность и сравнительно большая удельная прочность. Так, удельная проч­ность магниевых сплавов составляет от 12,8 1до 19,4, алюминие­вого сплава АЛ4 — 8,6 — 10,0, высокопрочного чугуна — 6,9— 7,6, углеродистой стали — 7,0—9,5, и легированной конструк­ционной стали — 10,2—12,3 кгс ¦ см3/(г • мм2) [71].

Широкое распространение получили сплавы системы Mg— Al—Zn. К этой группе относятся сплавы МлЗ, Мл4 п. ч., Мл5, Мл5 п. ч., Мл5 о. н. (ГОСТ 2856—68). Основным упрочнителем в них является алюминий. Для улучшения того или иного свой­ства в сплавы вводят дополнительно различные элементы. Так, марганец улучшает коррозионную стойкость, кальций повышает жаропрочность, берилий снижает окисляемость сплавов.

Более высокими механическими свойствами отличаются сплавы группы Mg-Zn—Zr (Мл 12) и особенно с редкоземельными эле­ментами. Из редкоземельных металлов в качестве легирующих до­бавок чаще всего используются ниодим — сплавы Мл9 (ВМл2), МлЮ; лантан — сплав Мл15; редкоземельные цериевой группы — сплав Мл11. Используют также торий и другие элементы.

Сплавы этой группы относятся к тепло – и жаропрочным с до­статочно хорошей прочностью при комнатной температуре. Для литья в кокиль преимущественно используют сплавы Мл5, Млб, МлЮ, Мл12, Мл 15.

Основные недостатки магниевых сплавов: их большая склон­ность к окисляемости в твердом и жидком состояниях и легкая воспламеняемость. Кроме того, они имеют сравнительно низкую жидкотекучесть, повышенную усадку и склонность к образова­нию горячих трещин (табл. 33). Большинство сплавов на магние­вой основе (Мл4, Млб и др.) имеют значительный интервал кри­сталлизации. Последнее, одновременно с повышенным содержа­нием газов в металле и низкой его плотностью, приводит к обра­зованию микрорыхлот (см. гл. IV) и к понижению свойств металла.

Магниевые сплавы (в своем большинстве) чувствительны к влиянию скорости охлаждения. Так, изменение толщины стенки отливки от 4—10 до 30 мм уменьшает величину предела прочности сплава с 215 до 150 МПа (21,5 до 15 кгс/мм2) и относительное удли­нение с 7,5 до 3,5%. Повышение скорости затвердевания магние­вых сплавов увеличивает их плотность, измельчает структуру и, следовательно, улучшает механические свойства.

Ввиду особых свойств магниевые сплавы нашли широкое при­менение для изготовления отливок различного назначения [94, 151]. Из них получают детали от самых простых и мелких до

Рис. 137. Отливка «картер коленчатого вала» , масса 8 кг

Весьма сложных и крупных. Представление о сложности деталей из магниевых сплавов, отливаемых в кокиль, дает рис. 137.

Отливки, изготовленные в кокилях, не только обладают вы­сокими эксплуатационными свойствами, но и имеют хороший внешний вид.

Одной из особенностей отливок из магниевых сплавов является повышенная их склонность к короблению при затвердевании и термической обработке. Поэтому рекомендуется конструировать отливки повышенной жесткости, для чего предусматривать ребра. При этом следует помнить о повышенной склонности магниевых сплавов к горячеломкости. Следовательно, устройство ребер должно быть таким, чтобы не вызывать торможение усадки ко­килем.

Таблица 33

Литейные свойства основных магниевых сплавов, применяемых для литья в кокиль

Марка сплава

Система сплава

Линейная

Усадка,

%

Жидкотеку­честь по прутковой пробе, мм

Склонность к образова­нию горячих трещии (ши­рина коль­ца), MM

Склонность к образова­нию микро­рыхлоты

Мл5

Mg—Al— Zn

1,0—1,2

290—300

30,0

Средняя »

Мл 6

Mg—Al—Zn

1,1—1,2

330

27,5

• Мл 12

Mg-Zn-Zr

1,2—1,4

290

30,3—32,5

»

МлЮ

Mg—Nd—Zr

1,2—1,5

250

15—20

Малая

Мл 15

Mg—2а—Zr

1,2—1,5

320

27,5—30

»

Рекомендации по проектированию отливок из магниевых сплавов (минималь­ная толщина и уклоны стенки, предельные значения длин отверстий, прииуски на механическую обработку) изложены в гл. VIII. При проектировании необ­ходимо руководствоваться и общими требованиями к литым конструкциям, приведенным там же.

2. ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ

Применение кокилей позволяет добиться значительного упро­щения технологии производства и сокращения стоимости (при­мерно в 2 раза) отливок из магниевых сплавов. Прежде всего это объясняется отсутствием химического взаимодействия металла с формой. При заливке в песчаную форму магниевый сплав ин­тенсивно реагирует с влагой, поэтому требуются специальные меры для предупреждения его окисления, что усложняет техно­логический процесс изготовления отливок. Однако литье в ко­киль ввиду пониженных литейных свойств магниевых сплавов (низкая жидкотекучесть, высокие усадка и склонность к образо­ванию горячих трещин) имеет свои сложности, которые прояв­ляются в необходимости строгого регламентирования параметров технологического процесса.

При литье из сплава Млб тонкостенных отливок оптимальными являются значения T3an = 1000ч-1020К и Т2н = 670 К, а для простых толстостенных отливок T3an = 950 К и T2h = 570 -=- ч – 620 К – По данным А. М. Осокина, при литье сплава Млб в ко­кили удается устранять горячеломкость отливок при Т2н = = 670 К и T3an = 1070 К – При этих параметрах уменьшается отрицательное влияние большого интервала кристаллизации и по­является возможность залечивания образующихся кристаллиза­ционных микротрещин.

Следует, однако, учитывать, что повышение температуры за­ливки приводит к интенсивному окислению сплава, загрязне­нию отливки окислами, увели­чению размеров зерна и к ухуд­шению механических свойств. Поэтому считается более эф­фективным введение в расплав церия и висмута, благоприятно действующих на снижение горя – челомкости [61 ].

Ввиду повышенной склон­ности магниевых сплавов к об­разованию трещин при затруд­ненной усадке необходимо обе-

T, В

Рис. 138. Литниковая система картера: 1 — стояк; 2 — металлоприемник; 3 — рас­секатель; 4 — подпитывающие бобышки: 5 — выпор; 6 — кольцевая прибыль

Спечить своевременный «подрыв» (извлечение) металлического стержня или применять песчаные стержни. Учитывая особенности литейных свойств рассматриваемых сплавов, следует широко приме­нять верхние и отводные (боковые) прибыли совместно (рис. 138). Даже в литых образцах, предназначенных для испытания на раз­рыв (рис. 139), были достигнуты стабильные показатели меха­нических свойств сплава Мл5 после применения специальных вертикальных подпитывающих бобышек [9].

В работе [76] приводятся данные о влиянии на механические свойства и квазиизотропность (однородность) сплава Мл5 мо­дифицирования расплава магнезитом и воздействия ультразвуком в период кристаллизации в кокиле. Воздействие на расплав уль­тразвуком повысило механические свойства сплава Мл5 в цен­тральной части слитка диаметром 80 мм и высотой 260 мм (масса слитка 2,15 кг) на 40—50%. Менее эффективно действует моди­фицирование.

3. ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Основным условием получения качественных отливок из маг­ниевых сплавов является предупреждение окисления расплава и обеспечение его ламинарного движения в литейной полости формы. Завихрение потока магния на любом пути металла в ко­киле может привести к образованию вторичного шлака, микроне­плотностей и газовых раковин_в отливках. Литниковые системы для магниевых сплавов чаще всего состоят из стояка, коллектора и питателей. Вместо зумпфов у основания стояка устраивают рас­секатели (рис. 140). В некоторых случаях вместо коллектора уста­навливают металлоприемник с рассекателем (см. рис. 138).

Стояки применяют трех видов — цилиндрические, плоские и змееобразные. Змееобразные распространены для крупных отли­вок. Цилиндрические и плоские стояки рекомендуется выполнять наклонными. В ряде случаев перед заливкой кокиль наклоняют в сторону стояка на 40—50° от вертикали и в таком положении начинают его заливку. По мере заполнения стояка сплавом форму

Рис. 140. Типы рассекателей

Постепенно возвращают в начальное поло­жение. Такой способ обеспечивает плавное заполнение формы металлом независимо от габаритных размеров отливки. Он особенно целесообразен при литье отли* вок, имеющих большие горизонтально расположенные поверхности.

Питатели чаще всего применяют щеле­вые горизонтальные или вертикальные, реже рожковые. Целесообразно обеспе­чивать рассредоточенный подвод металла через несколько питателей во избежание местного перегрева, а также для более быстрого заполнения формы.

При литье магниевых сплавов приме­няют расширяющуюся литниковую си­стему, обеспечивающую более спокойное поступление металла в полость формы. Обычно рекомендуется соотношение эле­ментов литниковой системы (стояка, кол­лектора и питателей) для мелких и средних отливок Fct : Flion : Fn = 1 : 2 : 3, а для крупных и сложных отливок Fct : Fkoji : : Fn = 1:3:6.

(139)

Расчет литниковой системы начинают с определения площади сечения стояка (см2)

Af1

0,1 Ht1VH ‘

Где M1 — масса отливки с литниковой системой и прибылями, кг; |х — коэффициент расхода, – равный 0,7—0,8; I1 — продолжи­тельность заливки, с; Я — средний металлостатический напор, см.

S1M1

Продолжительность заливки вычисляют по формуле

(140)

Где k — коэффициент, зависящий от массы отливки;. — средняя толщина стенки отливки, мм.

Происхождение формулы {139) легко понять, если сравнить ее с выражением (135).

Г)

Как уже отмечалось, при литье магниевых сплавов необходимо использовать прибыли. Объем прибыли должен превосходить объем питаемого узла в 1,5—2 раза, форма прибыли зависит от конфигурации этого узла.

4. ПОДГОТОВКА И ЗАЛИВКА КОКИЛЕЙ

В основном эксплуатация кокилей при литье магниевых спла­вов мало чем отличается от эксплуатации их при литье алюминие­вых сплавов. Перед окраской поверхность кокиля тщательно очищают и нагревают до 470—530 К, после чего пульверизатором наносят краску.

В табл. 34 представлены некоторые составы красок.

Таблица 34

Состав (% по массе) краски для кокилей

Назначение

Прокален­ный асбест

Борная кислота

Мел

I Окись магния

Окись цинка

Тальк j

Жидкое стекло

Вода

Для отливок сложной кон­

Фигурации…………………………..

4,0 3,0

15,0

15,0

3,8 3,0

78,0 79,0

2,5

18,0

2,5

77,0

Для средних и мелких отли­вок.

_____

2,0

5,0

__

,____

5,0

2,0

86,0

Для утепления литников и выпоров……………………………….

15,0

4,0

10,0

__

—.

__

3,0

68,0

Для окраски литников и выпоров……………………………………………

6,0

2,5

__

5,0

2,0

84,0

Для окраски литников и прибыли……………………………………………

25

20,0

6,5

100

Применяют краски и иных составов. Так, на Мелитопольском заводе «Автоцветлит» хорошо себя зарекомендовала краска, содер­жащая пирофиллит. Состав ее (% по массе): 13,5 — 15,0 пиро­филлита; 4,5—5,0 талька; 1,8—2,0 жидкого стекла; 5,8—6,0 бор­ной кислоты; воды — до плотности 1,12—1,2 г/см3.

Окрашенный кокиль собирают, подогревают до требуемой тем­пературы и заливают. Для лучшего прогрева кокиля и высушива­ния краски используют теплоту первых двух-трех отливок, ко­торые затем идут на переплав.

При получении сложных отливок тепловой режим кокиля ре­гулируют искусственным нагревом или охлаждением. В случае применения металлических стержней им необходимо уделить осо­бое внимание (окраска, подогрев и охлаждение, своевременное извлечение из отливки).

Кроме’тщательного проведения плавки с обязательным рафини­рованием," необходимо обеспечить защиту расплава от вторичного окисления при заливке. Для этого зеркало металла в ковше и кромки кокиля у литниковой чаши и выпора присыпают серным цветом. Последний, сгорая, образует защитную атмосферу. За­ливочный ковш перед каждым наполнением его металлом необ­ходимо промывать в расплавленном и перегретом до 1020—1070 К флюсе.

Металлические чаши, через которые ведется заливка, предва­рительно окрашивают. Перед нанесением краски их нагревают до 420—470 К, а после окрашивания просушивают при 520—570 К – Для окрашивания литниковых чаш рекомендуются следующие краски (в % по массе): 1) 25 окиси цинка, 2,5 графита в порошке, 5,0 жидкого стекла и 67,5 воды; 2) 32,5 окиси цинка, 1,5 жидкого стекла и 66 воды.

Сплавы, легированные цирконием, заливают через фильтр. В качестве фильтра используют бой шамотного кирпича разме­ром 10—15 мм. Бой, предварительно нагретый до —1170 К, насы­пают в чашу слоем от 80 до 150 мм в зависимости от массы заливае­мого сплава.

Приготовление рабочих сплавов для литья в кокиль ничем не отличается от приготовления сплавов для литья в песчаные формы.

5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ВИДЫ БРАКА

Термическую обработку отливок из магниевых сплавов при­меняют в основном с целью повышения их механических свойств; в некоторых случаях (для сложных, разностенных отливок) — для уменьшения внутренних напряжений. В первом случае ис­пользуют искусственное старение, закалку и закалку с последую­щим старением, во втором случае — отжиг.

Вследствие медленного протекания диффузионных процессов в магниевых сплавах требуется длительное время нагрева отливок под закалку и старение для перевода различных фаз в твердый раствор. Кроме того, с целью уменьшения опасности окисления и оплавления отливок применяют двух – и трехступенчатый нагрев. Вначале ведут нагрев до более низкой температуры, при которой в твердый раствор переходят легкоплавкие составляющие, а за­тем производят нагрев и выдержку при повышенной температуре.

Продолжительность термообработки отливок, полученных в ко­килях, примерно в 1,5—2,0 раза меньше, чем отливок, изготов­ляемых в песчано-глинистых формах. Это связано с тем, что в пер­вом случае металл отличается мелкозернистой структурой, в ре­зультате чего диффузионные процессы протекают с большей ско­ростью. Например, для отливок из сплава Млб, отливаемых в пес – чано-глинистые формы, требуется двухступенчатый нагрев под за­калку. Первая ступень состоит в нагреве до 630 К и выдержки при ней в течение 3 ч, вторая ступень: нагрев до 690 К с выдержкой перед закалкой 21—29 ч. Для отливок из того же сплава, но от­литых в кокиль, достаточным является одноступенчатый нагрев под закалку до 688 К с последующей выдержкой в течение 8—16 ч,

Максимальное повышение прочности магниевого сплава обес­печивается искусственным старением или закалкой с последую­щим старением. Одной закалкой достигается максимальная пла­стичность, что можно объяснить образованием однородного твер­дого раствора. Старение же приводит к Выпадению из этого рас­твора различных упрочняющих фаз, снижающих пластичность.

В работе [94 ] приведены два режима термообработки сплава Мл5, модифицированного магнезитом. Первый режим (нагрев и выдержка 12 ч при 688 К (415° С) с охлаждением на воздухе) поз­волили исходные свойства ав = 182 МПа (18,2 кгс/мм2), crx = = 159 МПа (15,9 кгс/мм2) и б =4,1% изменить соответственно на 193, 103 и 8,5. Второй режим (выдержка 12 ч при 450 К (175° С) с последующим охлаждением на воздухе) позволил получить ств =211 МПа, crT = 157 МПа и б = 3,5%.

Отжиг обязательно применяют для отливок, которые не под­вергаются другим видам термообработки.

При термообработке нагрев выше 575 К необходимо проводить в защитной атмосфере. По этой же причине не проводят закалку в воду. Ввиду малой скорости диффузии вполне достаточно охла­ждение в струе воздуха. Иногда используют горячую (369 К) воду.

Основными видами брака отливок из магниевых сплавов при литье в кокиль являются: горячие трещины, недоливы, неспаи, усадочные рыхлоты, газовые раковины, неметаллические включе­ния и утяжины.

Горячие трещины образуются в местах резких переходов сечений отливки или в перегретых участках. Основные меры борьбы с тре­щинами прежде всего должны заключаться в соблюдении устано­вленного темпа работы кокиля, в применении рассредоточенной си­стемы питателей и в своевременном извлечении отливки из кокиля.

Неспаи и недоливы могут быть связаны с низкой температурой заливаемого металла и кокиля. В этом случае необходимо экспе­риментально уточнить температуру заливки и температуру подо­грева кокиля.

Рыхлоты и утяжины возникают в результате дефицита питания отливок. Чтобы предупредить этот вид брака, необходимо отре­гулировать систему охлаждения кокиля, обеспечив равномерное или направленное затвердевание отливки. Для этого используют окраску (различной толщины) кокиля, его искусственное охла­ждение или обогрев. Кроме этого, необходимо организовать хо­рошее питание массивных частей отливки, применять подвод ме­талла Через несколько питателей во избежание местного перегрева.

Газовые раковины преимущественно образуются в результате плохой подготовки сплава, недостаточной вентиляции формы, мест­ного перегрева. Во избежание неметаллических включений следует прежде всего тщательно приготовлять сплав и вести заливку формы. В некоторых случаях требуется изменение литниковой системы.

ЛИТЬЕ СТАЛИ

1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА И СВОЙСТВА СТАЛИ

Особенности литья стали в кокиль заключаются в ее более высоких (в сравнении с другими распространенными литейными сплавами) значениях температуры кристаллизации и величины усадки. С повышением температуры заливки металла резко интен­сифицируются все процессы, связанные со стойкостью кокиля (см. гл. V). Поэтому проблема стойкости кокилей при литье стали стоит чрезвычайно остро.

Согласно отечественному опыту и зарубежным данным [174], в настоящее время наиболее распространенным материалом для кокилей при литье стали остается серый чугун. Кокили из серого чугуна имеют стойкость, измеряемую десятками и в отдельных случаях несколькими сотнями заливок.

В связи с повышенной усадкой стали появляется большая опас­ность возникновения в отливках значительных остаточных напря­жений, горячих и холодных трещин. С этим же связана необхо­димость обеспечения условий четко выраженной направленности затвердевания. Эти особенности существенно ограничивают воз­можности литья стали в кокиль. Они же определяют область ра­ционального применения процесса. В кокилях целесообразно получать стальные детали наиболее простой конфигурации — с плавными наружными очертаниями и равностенные. Не слу­чайно поэтому, что в них чаще всего отливают стальные детали типа тел вращения. При такой конфигурации рабочей полости формы изготовление кокиля оказывается наиболее простым.

Таким образом, обеспечение технологичности стальных отли­вок является задачей первостепенной важности. Здесь уместно сослаться на рекомендации по проектированию литых конструк­ций, изложенные в параграфе I гл. VIII. Примеры нетехнологич­ных и технологичных конструкций стальных деталей предста­влены на рис. 117.

Пример переработки конструкции отливки описан в работе [90] по опыту освоения технологии литья заготовок для получения вагонных колес прокаткой. Литую заготовку (рис. 118, а) изго­товляли в кокиле, который заливали через прибыльную часть. В диске отливки из-за нарушения направленности затвердевания возникали усадочные раковины. Направленное затвердевание было достигнуто после применения песчаного стержня для форми­рования тонкого перехода от ступицы к диску. Однако при этом снижалась эффективность процесса, увеличивалась опасность повышения брака из-за засоров.

Задача была решена путем повышения технологичности от­ливки. Незначительные изменения конструкции заготовки

Рис. 117. Нетехиологичные (!) и технологичные (II) конструкции сту­пицы (а) и катка (б)

(рис. 118, б) ПОЗВОЛИЛИ разработать рациональ­ную технологию их литья в кокиль (рис. 118, в). По данным авторов работы [90], такая технология позволяет получить здо­ровые заготовки с равномерными свойствами стали во всех сече­ниях. Кроме того, свойства стали заготовок более высокие, чем свойства стали отрезных заготовок из слитков.

Отметим, что материалы настоящей главы относятся только к литью стали в кокили с тонкослойным покрытием. Технология литья в облицованные кокили рассмотрена в главе XVIII.

Свойства стали. Основные закономерности изменения струк­туры и свойств литой стали при увеличении скорости затвердева­ния рассмотрены в гл. III. Здесь же приведены примеры из прак­тики литья в кокили.

Рис. 119 дает представление о благоприятном влиянии кокилей на важнейшие механические свойства стали. Аналогичны резуль­таты исследований влияния кокилей и на свойства других сталей. Например, в стали 110Г13Л при переходе от литья в песчаные формы на литье в кокиль ударная вязкость и износостойкость по­вышаются на 20—50%, а аустенитное зерно заметно размельчается.

Ф87 7

Рис. И8. Старая (а) и новая (б) кон­струкции стальной заготовки для прокатки железнодорожных колес и кокиль в сборе (в):

1 — корпус кокиля; 2 — графито­вая вставка; 3 — самовсплывающая лнтннковая вставка; 4 — крышка; 5 — стержень прибыли

О значительном улучшении свойств стали 110Г13Л (повышении плотности отливок, размельчении дендритов в структуре, увели­чении ударной вязкости) в связи с ускорением затвердевания от­ливок указывается в работе [156]. |

Однако известны и другие данные. В. П. Ксенофонтов, напри­мер, исследовал одновременное влияние материала формы и тем­пературы заливки на структуру и свойства стали П0Г13Л [80] и установил, что кокиль обеспечивает получение более высоких значений ударной вязкости только в том случае, когда темпера – Тура заливки не превышает 1700 К (рис. 119, б). Износостойкость отливок, полученных в кокилях, оказывается более высокой при Гзал не выше 1720 К-

Залитая в кокиль сталь более восприимчива к модифицирова­нию, микролегированию и экономному легированию, чем сталь, Залитая в песчаные формы. В работе [139] описан опыт присадки титана и других элементов в Виде порошка непосредственно в лит­никовую чашу кокиля. Модифицированную титаном (0,074Ti) сталь ЗбЛ использовали для роликов конвейера разливочной Машины. Прочность стали увеличилась примерно на 15%, а изно­состойкость — почти в 3 раза.

2. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ И ЗАЛИВКА

Г

Зоо

200

О W 20

JO L, mm

WSO 1120 ПВО К

А)

Рис. 119. Зависимость Ctb и ан стали 32X06 от расстояния I образца до стеики кокиля (а); аа и износа k стали 110Г13Л от материала формы и температуры заливки (б)-. сплошные линии — лнтье в кокиль, штриховые — литье в песчаную форму

Ам, мдж/м

К, г

Особенности Литейных свойств стали требуют иного, чем для Других сплавов, устройства литниково-питающих систем. Высокая температура заливки, большая усадка при затвердевании, низкая жидкотекучесть, повышенная склонность к трещинообразованию и другие свойства обусловили особые требования к устройству литниково-питающих систем кокилей стальных отливок. На основании этих требований предпочтение отдается следующим

3Q Sfu^

Рис. 120. Кокиль для ступицы:

T — крышка кокиля; 2 — корпус кокиля; 3 — ручки; 4 — стержень

Технологическим и конструктивным решениям: 1) выполнению полости прибылей только в песчаных вставках или в частях ко­киля с хорошей тепловой изоляцией; 2) заливке кокилей сверху, преимущественно через прибыли; 3) совмещению (для мелких деталей) прибыли и стояка литниковой системы; 4) исключению попадания струи жидкой стали на рабочие поверхности кокиля; 5) максимальному сокращению пути движения расплава до попа­дания его в литейную полость; 6) заливке возможно большего числа мелких литейных полостей через единую литниковую си­стему и др.

Примеры практической реализации первых двух решений по­казаны на рис. 120 [2] и 121 [111] соответственно. Если нет воз­можности выполнить литниковые каналы в песчаных вставках, металлические каналы должны быть хорошо защищены. С целью защиты кокилей в местах подвода металла может быть использо­вано покрытие, состоящее, % по массе, из 80—85 графитового порошка; 10—15 пека; 5—10 смолы.

Заливка сталью небольших кокилей связана с некоторыми труд­ностями и потерей жидкого металла. Использование в этом слу­чае стопорных ковшей неудобно (затруднена точная дозировка металла), а заливка из небольших чайниковых ковшей связана с потерей температуры жидкой стали. Тем не менее предпочти­тельней заливать такие кокили не из стопорных, а из чайниковых (с глубокими перегородками) ковшей.

Оправдало себя на практике использование наборных неболь­ших кокилей, расположенных на плите, перекрытых объединяю­щим стержнем, в котором выполняется общая литниковая система.

3. ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ

Ст.1

Рис. 121. Кокиль для стальных крановых колес

Многие параметры технологии (начальная температура кокиля, температура заливки, состав и толщина покрытия, продолжитель­ность охлаждения отливки в форме и др.) могут быть найдены рас­четным путем на основе расчетного аппарата, который приведен в первом разделе. В более сложных случаях (например, комбини­рованная форма — кокиль и песчаный стержень) следует обра­щаться к специальной литературе [5, 6, 16, 20, 21, 48, 49 и др. ]. Понятно, однако, что при выборе вариантов технологии необхо­димо отталкиваться от практического опыта.

Практика показывает, что при литье стали н чальная темпера­тура кокиля Tia не должна, как правило, превышать 520 К. При больших значениях Т.2а увеличивается опасность перегрева кокиля и, следовательно, понижается его стойкость. По этой же причине T33jl стали должна быть минимальной. Лишь одно условие — возможность возникновения недоливов и неспаев в отливках — служит оправданием заливки кокилей перегретой сталью. Опти­мальной для углеродистых сталей считается Тзал = 1720-^1770 К-

При производстве отливок в кокилях обработке стали в пла­вильной печи необходимо уделять особое внимание. Недопустимо использование стали с повышенной газонасыщенностью, загряз­ненной большим количеством неметаллических включений, зна­чительно снижающих жидкотекучесть и увеличивающих опасность возникновения неспаев, усадочно-газовых раковин и т. п.

Продолжительность пребывания стальной отливки в форме является важнейшим фактором стойкости кокиля. В связи с после­довательным затвердеванием стальных отливок создаются благо­приятные условия для их ранней выбивки. Температура выбивки для каждой отливки устанавливается опытным путем. Про­цесс литья стали в кокиль следует организовать так, чтобы период пребывания отливки в кокиле был минимальным.

При литье стали важнейшей задачей является выбор защит­ного покрытйя и поверхностного упрочнения кокилей. Все, что было сказано в первом и втором разделах и в части выбора рациональ­ных покрытий и поверхностных упрочнений, в первую очередь относится к кокилям для получения стальных деталей. Хорошо зарекомендовало себя покрытие кокилей следующего состава, % по массе: 30—40 огнеупорного наполнителя (карборунда, циркона, окиси хрома и др.); 5—9 жидкого стекла; 0,7—0,8 борной кислоты; остальное — вода (до плотности 1,1—1,22). Покрытие наносят в несколько слоев, причем последний слой краски лучше готовить из более мелких частиц наполнителя. Такое покрытие наносят один раз в смену. Требуется лишь изредка подправлять его рабо­чий слой.

4. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

Литье в кокиль дает наибольший эффект при изготовлении отли­вок особого вида и назначения. Но в каждом таком случае требу­ются необычные технологические решения. Ниже рассматриваются некоторые примеры таких решений. Часто литье в кокиль является единственно возможным способом достижения высокого каче­ства отливок ответственного назначения. К. таким отливкам отно­сятся штампы.

Большой вклад в развитие производства литых штампов (в том числе и литых в кокили) в нашей стране внес Б. А. Носков. Им была доказана целесообразность изготовления литых штампов с ручьями, разработана и осуществлена на практике технология литья штампов в кокилях.

Оригинальный процесс литья штампов со вставками показан на рис. 122. В разъемный кокиль 3 перед заливкой устанавливают на­гретую до 840—900 К вставку 4 из стали Р18, и литейную полость 2 заливают через прибыль надставки 1 сталью 5ХНВЛ при 1820 ± ± 10 К – Вставку 4 нагревают во избежание образования трещин в обойме штампа. Для устранения в стали Р18 остаточного аусте­нита отливку троекратно отпускают (820—870 К, нагрев 3 ч). Сталь 5XHBJ1 модифицируют 0,3% КМ, который вводят совме­стно с 0,1% Al и 0,3% ферротитана на струю расплава. Стойкость литого штампа, как указывается в работе [88], повысилась в 15— 20 раз в сравнении с напрессованным, стоимость снизилась в 1,5— 2 раза. Даже в случае низкой стойкости кокилей для изготовления подобных отливок расход на них всегда окупается.

К числу особых и интересных способов литья стали в кокиль можно отнести способ получения полых отливок с выплавляемым стержнем [63]. За последнее время все чаще появляются сведения об использовании таких стержней при литье в кокиль разных сплавов. В указанной работе приводится описание литья из стали 50Л полых цилиндров диаметром

Рис. 122. Схема литья штампов

Рис. 123. Схема литья стали в кокиль с ВЫ’ плавляемым стержнем

Рис. 124. Схема устройства многоместного кокиля для литья бил из стали 110Г13Л

В кокиль 1 вставляют выплавляемый металлический стержень 2 и форму заливают через дождевую литниковую систему, выполнен­ную в литниковой чаше 3. Дождевая заливка оказалась наиболее приемлемой: при сифонной и боковой заливке стержень распла­влялся преждевременно и его металл сплавлялся с металлом от­ливки. Применение выплавляемых стержней позволило довести выход годного до 78%, разгрузить в тепловом отношении кокиль 1, повысить его стойкость и получить следующие механические свой­ства стали после термической обработки: сгв = 735ч-918 МПа; (Тт = 382-^437МПа, = 17,4-н20,5%. Можно ожидать, что выпла­вляемые стержни позволят расширить область применения ко­килей для литья стальных деталей, так как уменьшится опасность образования в отливках трещин и усадочных рыхлот.

В работе [8] описана технология литья из стали 110Г13Л бил массой 8,5—12,5 кг молотковых мельниц для разлома угля. Применяемый при этом водоохлаждаемый кокиль изображен на рис. 124. Корпус 1 такого кокиля — сварной, из стали СтЗ, а поверхность отливки формируется сменными вставками 4 и стержнем 5. Литниковая система также выполнена в песчаном стер­жне 6. Корпус кокиля 1 охлаждается водой, проходящей по водя­ной коробке 3. Выталкиватели расположены в плите 2. Износо­стойкость бил, полученных в кокиле, повысилась на 30%.

Литье крупных стальных отливок представляет большие тех­нические трудности, так как связано с изготовлением массивных кокилей, которые сложно изготовить и механизировать. Между тем, как это показывает опыт, именно эти процессы позволяют получить наибольший эффект. Об этом свидетельствуют и примеры современных процессов литья крупных стальных деталей.

Крышка котла высокого давления, как указывается в работе [141], отливается в массивный литой кокиль из углеродистой (0,04—0,06% С) стали. Проведенными расчетами и постоянным наблюдением установлено, что наиболее напряженным местом ко­киля является пояс, формирующий вертикальную стенку крышки. Средняя стойкость кокилей, выявленная на основе их трехгодич­ной эксплуатации, составила 219 заливок. Хотя такая стойкость обеспечивает получение значительного эффекта по сравнению с литьем в песчаные формы, она может быть заметно повышена путем упрочнения поясной части кокиля, которая в дальнейшем была выполнена из блочно-игольчатых элементов.

5. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

В ряде случаев внедрению литья стали в кокиль препятствует повышенный брак отливок. К числу наиболее часто встречающихся видов брака стальных отливок относятся горячие и холодные тре­щины, недоливы, газовые и усадочные раковины, несоответствие размеров требованиям чертежа.

Основным средством предупреждения горячих трещин является повышение технологичности стальных отливок, приспособление их конструкции к условиям литья в кокиль. Соответствующие принципы рассмотрены в параграфе 1.

Не менее важной мерой предупреждения трещин является под­готовка расплава. Глубокое раскисление стали и ее модифициро­вание всегда оказывают благоприятное влияние. Дегазация стали также предупреждает образование трещин.

Центровые стержни особенно тонкостенных отливок с развитой поверхностью должны обладать хорошей податливостью, не со­держать жестких каркасов; изготовление таких стержней полыми — обязательная мера предупреждения трещин.

Предупредить трещины в торцах тонких стенок можно путем снижения скорости их затвердевания и устране­ния заливов. На рис. 125 приведены два вида устройства знака стержней. В первом случае (рис. 125, а) из-за быстрого затвердевания торца отливки

Рис. 125. Схема устройства знака стержня: а — обычное; 6 — предупреждающее трещины

А) и появления в нем заливов образование трещин было неизбежным. Небольшие изменения в устройстве знака (рис. 125, б) устранили эти недостатки, что благоприятно сказывалось на предупрежде­нии трещин.

Газовые раковины возникают из-за «закупоривания» воздуха в «глухих» местах кокилей, некачественной стали, газотворной способности краски и стержней, а также из-за перегрева кокилей. Первая причина газовых раковин устраняется соответствующей вентиляцией, а последняя — соблюдением теплового режима формы и периодической очисткой ее рабочих поверхностей. Что касается газовых раковин из-за газонасыщенности расплава, то они возникают редко: в кокилях дополнительное растворение газов (особенно водорода) не происходит.

ЛИТЬЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ

Алюминиевые сплавы согласно ГОСТ 2685—75 разделяются по химическому составу на пять групп:

Группа I — сплавы на основе системы алюминий— кремний марок: АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ9 АК7 (АЛ9В), АЛ34 (ВАЛ5), АК9 (АЛ4В). Их структура представляет собой а-твердый раствор кремния в алюминии и эвтектику, состоящую из а-твердого рас­твора и зерен кремния. Количество в структуре сплава эвтектики увеличивается с повышением содержания кремния и при 11,7% последнего состоит из эвтектики с температурой плавления

850 К-

Дальнейшее увеличение количества кремния в сплаве приво­дит к образованию первичных твердых его кристаллов. При нали­чии легирующих элементов последние растворяются в а-твердом растворе, упрочняя его, или образуют самостоятельные фазы (например, Mg2Si, Al3Ti и др.). Механические свойства алюминие – во-кремнистых сплавов можно улучшить путем легирования ми­кродобавками таких элементов, как В, Ti, Zr. Достоинствами сплавов этой группы являются хорошие литейные свойства и гер­метичность, а также сравнительно простая технология выплавки и литья. Недостатки их состоят в склонности к образованию круп­нозернистой грубой эвтектики в структуре и к повышению газо­насыщенности.

Группа II — сплавы на основе алюминий—кремний—медь. Их марки: АЛЗ, АЛ5, АЛ5-1, АЛ6, АЛ32, АК5М2 (АЛЗВ), АК7М2 (АЛ10В), АК4М4 (АЛ15В). Сплавы этой группы обладают более высокой прочностью и жаропрочностью, чем сплавы системы алю­миний—кремний, а их литейные свойства лучше, чем у сплавов системы алюминий—медь.

Группа III —• сплавы на основе системы алюминий—медь марок: АЛ7, АЛ19, АЛЗЗ (ВАЛ1). Структура этих сплавов состоит из а-твердого раствора меди в алюминии, химического соединения Al2Cu и эвтектики. Концентрация меди в твердом растворе изме­няется в зависимости от температуры. При температуре 821 К (548° С) в а-твердом растворе содержится 5,65% Cu, а при комнат­ной температуре всего 0,2%. Этим объясняется чувствительность сплавов к скорости затвердевания, а также повышение свойств после закалки с последующим старением. Легированный твердый раствор и наличие химических соединений в структуре обусло­вливают жаропрочность и повышенные прочностные характери­стики сплавов группы III.

Особенно высокой прочностью обладает сплав АЛ19, в состав которого входит марганец, образующий сложное соединение

Al2Mn2Cu, способствующее улучшению механических свойств, особенно при повышенных температурах.

Недостатки сплавов группы III: пониженная жидкотекучесть, увеличенная склонность к образованию горячих трещин, а также низкая герметичность.

Группа IV — сплавы на основе системы алюминий—магний, используются преимущественно с добавкой легирующих элемен­тов: Mn, Si, Ti, В, Zr. Сюда относятся сплавы марок АЛ8, AJl 13, АЛ22, АЛ28, АЛ23-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28. Основой структуры этих сплавов является твердый раствор магния в алюминии, со­став которого изменяется с понижением температуры. При 708 К (435° С) он содержит 14% Mg, а при комнатной температуре — в 10 раз меньше (1,4%). Избыток магния образует хрупкую |3-фазу (Al3Mg2), количество которой увеличивается с уменьшением ско­рости охлаждения отливки. Специальные добавки или случайные примеси дают самостоятельные фазы (например, Mg2Si, Al6Mg4Cu, Al3Ni, Al3Fe и др.) или они могут входить в твердый раствор. Все это влияет на изменение свойств сплавов, при этом степень влияния зависит от дисперсности и характера этих фаз. Как правило, сплавы этой группы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими механическими свойствами и малой плот­ностью. Кроме того, они хорошо обрабатываются резанием и по­лируются.

Группа V — сплавы на основе алюминия с другими элемен­тами (в том числе никеля, цинка, кремния, железа). Их марки: АЛ1, АЛ11, АЛ21, АД24, АЛ25, АЛЗО, АК21М2, 5Н2.5 (ВКЖЛС-1). Сюда же можно отнести используемые в настоящее время сплавы АЛ26, АЛ20, АЛ18В и др. Это преимущественно жаропрочные сплавы. Каждый из них отличается еще каким-либо специальным свойством в зависимости от того, для каких целей сплавы предназначены. Так, например, сплавы для поршней (АЛ25, АЛ26, АЛЗО) должны иметь повышенную износостойкость и малый коэффициент линейного расширения. Основными компо­нентами сплавов этой группы являются кремний или медь, от содержания которых в основном и зависят структура и свойства. Дополнительное легирование небольшими добавками ряда эле­ментов обеспечивает сплавам повышение жаропрочности за счет увеличения сопротивляемости пластическим деформациям. В ка­честве легирующего элемента используется и железо (сплавы АЛ18В и АЛ20), которое является вредной примесью для всех остальных сплавов на алюминиевой основе. Показатели литейных свойств алюминиевых сплавов колеблятся в довольно широких пределах и зависят от их состава. В табл. 30 представлены дан­ные о литейных свойствах основных сплавов.

Горячеломкость определяется по общепринятой кольцевой пробе С. И. Спек – тровой и Г- В. Лебедевой. Наружный диаметр пробы 107 мм, толщина 5 мм,

Таблица 30

№ груп­пы

Марка

Усадка, %

Ж идкотекучесть, мм, по пробе

Горяче – ломкость

Герме­тичность, кгс/см2

Линей­ная

Объемная

Прутко­вой

Спираль­ной

I

АЛ2

АЛ4

АЛ9

АЛ34

(ВАЛ5)

0,9 1,0 1,0 1,0

3,0—3,5 3,2—3,4 3,7—3,9

420 360 350 550

820 750 770

5 5 5 5

160 260 190 350

II

АЛЗ АЛ5 АЛ6 В124

1,15 1,10 1,10 1,10

4,0—4,2 4,5—4,9 4,8—5,0 3,2—3,4

240 344 300 350

700 750 650 800

12,5 7,5 10 7,5

140 160 230 350

III

АЛ7 АЛ19

1,40 1,25

6,5—6,8

163 205

280 410

3,5 32,5

50 70

IV

АЛ8 АЛ 13 АЛ22 АЛ27

1,3 1,2 1,2 1,2

4,8—5,0

280 320 380 270

600 500 650

22,5 12,5 15 12,5

60 118 130 60

V

АЛ1 АЛ21 АЛ 24 АЛ25

1,3 1,2 1,2 1,1

6,4—6,2

260 360 230 425

700

27,5 22,5 22,5 5

90 100 160

Внутренний диаметр колец изменяется от 7 до 97 мм, обеспечивая ширину кольца от 50 до 5 мм. Показателем горячеломкости является максимальная ширина кольца, при которой появляется первая трещина. Чем меньше эта ширина, тем меньше склонность сплава к образованию трещин. Для определения жидкоте – кучести используются стандартные прутковые или спиральные пробы, отлива­емые в песчано-глинистые формы.

Типичные литейные свойства основных алюминиевых сплавов (температура заливки 973 К)

Лучшие литейные свойства имеют сплавы типа силуминов и более низкими обладают сплавы III (алюминиево-медные) и IV (алюминиево-магниевые) групп. Величина действительной ли­тейной усадки сплавов зависит не только от их природы, но и от сложности и размеров отливки. На практике принято считать, что усадка в зависимости от сплава находится в следующих пре­делах: для мелких отливок 0,9—1,35, для средних — 0,7—1,2 и для крупных — 0,6—1,0%. Нижние пределы относятся к спла­вам на основе системы Al—Si, а верхние — к сплавам III и IV групп.

Характерной особенностью всех алюминиевых сплавов явля­ется повышенная опасность образования газовой и газоусадочной пористости. На поверхности алюминиевой отливки легко обра­зуется прочная и плотная пленка окисла, которая препятствует удалению газов, выделяющихся из металла при его охлаждении. Это и объясняет тот факт, что алюминиевые отливки легко пора­жаются газовой пористостью при сравнительно небольшом со­держании газов в металле. Так, даже при наличии в сплаве водо­рода в количестве 0,9—2,0 см3 на 100 г металла возникает опас­ность образования газовых раковин, в то время как в чугуне его содержание может достигать 4—5 см3, а в стали — до 10—12 см3 (без особой опасности образования газовых раковин).

Особенно легко поражаются газовыми раковинами отливки из сплавов, содержащих кремний. Разработка технологического про­цесса изготовления отливок из алюминиевых сплавов произво­дится с учетом всех его особенностей и недостатков. Большое влия­ние на структуру и качество сплава отливки оказывает скорость затвердевания и охлаждения.

2. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВОК

Увеличение скорости затвердевания обеспечивает измельчение структурных составляющих сплава — уменьшается зерно твердого раствора, увеличивается дисперсность эвтектики и вторичных фаз, образующихся при наличии специально введенных или случайных примесей. Некоторые неблагоприятно действующие соединения вообще не образуются или уменьшаются по количеству. Так, струк­тура силумина, залитого в кокиль, близка к структуре модифициро­ванного сплава; размеры кристаллов кремния значительно меньше, чем при литье в песчаные формы (см. гл. III). Известно также [123], что литье в кокиль резко повышает эффект модифицирования по сравнению с литьем в песчаные формы, а также нейтрализует вредное действие железа и других примесей. Поэтому допускается в сплавах для этого вида литья более высокое количество же­леза, чем при литье в песчаные формы. Измельчение структуры в результате более значительного переохлаждения сплава при кри­сталлизации в кокиле, а также увеличение при этом эффекта моди­фицирования приводит к улучшению его механических свойств. Результаты испытания сплава АЛ27-1, залитого в сухие песчаные формы и в кокили, наглядно показывают преимущества послед­него способа литья (при литье в сухую песчаную форму ов = = 26 кгс/мм2, б =5%; при литье в кокиль — ов =42 кгс/мм2, 6 = 31%).

С изменением скорости охлаждения от 15,6 до 83 град/мин. увеличивается предел прочности сплава АЛ19 с 38,2 до

Влияние скорости затвердевания отливок

41,5 кгс/мм2 и относительное удлинение с 7,3 до 16,0%. Такой же характер имеет изменение механических свойств при повышенных температурах (табл. 31).

Таблица 31

Влияние на механические свойства сплава AJI27-1 температуры и материала формы

Темпера­

Литье в песчаную форму

Литье в кокили

Тура ис­пытаний, 0C

Кгс/мм2

Б, %

V

Кгс•м/см2

CV

Кгс/ммг

6, %

Аи’ кгс • м/см2

20 150 200 300 400 500

23,9 17,9 16,9 8,9 3,6 1,1

3.8

2.9 3,7

10,8 24,2 3,6

2,3 2,1 1,7 1,1 0,2 0,2

36,8 32,6 21,1 10,3

4.7

1.8

16,4 37,2

15.7 49,0

100,8

16.8

5,6 5,6 4,3 2,5 0,3 0,2

Повышается прочность сплавов при термической усталости. Благоприятное влияние увеличение скорости охлаждения оказы­вает и на свойства сплавов при низких температурах. Улучшается герметичность, что особенно важно для сплавов, негерметичных по своей природе из-за большого интервала их кристаллизации (АЛ 19, АЛ27-1 и др.). Увеличение скорости охлаждения умень­шает опасность образования газовой и газоусадочной пористости в отливках.

Авторы работы [59] объясняют это следующим образом. Часть водорода, попавшего в алюминиевый расплав, образует CAl2O3 соединение Y-Al2O3-Н, а избыток растворяется в жидком металле. При затвердевании сплава указанное Соединение диссоциирует с выделением водорода. Степень диссоциации его зависит от скорости охлаждения и уменьшается с увеличением последней. При быстром охлаждении распад химического соединения T-Al3O3-H не произойдет и по­ристость будет образовываться только за счет выделения растворенного водо­рода, которое также затрудняется при увеличении скорости охлаждения.

Количество водорода, растворившегося в металле при литье в кокиль, меньше, чем при литье в песчаные формы. Например, если в 100 г сплава, залитого в кокиль, содержалось 1,6—1,8 см3 водорода, то в металле, залитом в песчаные формы, его содержа­ние достигает 2,3—3,5 см3. Таким образом, литье в кокиль обеспе­чивает получение более плотных отливок и, следовательно, с более высокими механическими свойствами сплава:

Балл пористости…………………………………….. 1 2 3 4 5

‘ ов, кгс/мм2 …………………………………… 26,6 26,2 25,0 20,0 15,0

6, % ………………………………………………………. 5,0 4,7 3,0 2,0 1,5

275

При литье в кокиль уменьшается не только газовая, но и газо­усадочная пористость.

Рассмотренные особенности формирования структуры и свойств отливок из алюминиевых сплавов вытекают из общих положений теории литья в кокиль, изложенных в первом разделе.

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

В связи с особыми свойствами алюминиевых сплавов (повышен­ная усадка, возможность окисления при заливке, склонность к образованию плен, газовой пористости и др.) возникает необхо­димость устройства особых литниково-питающих систем, которые подробно описаны Н. М. Галдиным [39]. Расчет литниковых си­стем и выбор их конструктивных размеров при литье в кокиль, как указывает Н. М. Галдин, осуществляют по тем же методикам, исходя из тех же рекомендаций, которые разработаны для литья в песчаные формы. Вместе с тем необходимо учитывать особенно­сти литья в кокиль, состоящие, прежде всего, в повышенной ско­рости охлаждения металла и газонепроницаемости формы, которые вызывают повышенную опасность образования газоусадочных и газовых раковин, недоливов, неспаев, загрязнений неметалличе­скими включениями.

При конструировании кокилей стремятся свести до минимума количество и площадь поверхностей разъема, что затрудняет, а часто делает невозможным применение разветвленной литнико­вой системы с использованием элементов, задерживающих шлако­вые включения и обеспечивающих ламинарность потока. Острые кромки каналов, выполненных в кокиле, способствуют образова­нию завихрений потока металла, в результате чего облегчается разрыв окисных плен и попадание их внутрь расплава. Все эти особенности и определяют выбор элементов и конструкции литни­ковой системы для литья в кокиль.

Неправильное устройство этих систем приводит к образованию многих видов брака: прежде всего газовых и усадочных раковин, трещин, шлаковых включений и плен. Наглядно это иллюстри­руется примерами, приведенными в работе [159] и тремя схемами

Рис. 126. Варианты литнико­вых систем поршня

(рис. 126) литниково-питающих систем в кокиле поршня. На пер­вый взгляд представляется, что каждая из них удовлетворяет общим принципам устройства литниково-питающих систем при литье в кокили деталей ответственного назначения. Однако их сравнительная проверка показала преимущество системы б.

Убедительным доказательством роли литниково-питающей си­стемы в получении качественных отливок и всей эффективности литья в кокиль может служить также сравнение двух процессов изготовления крыльчаток (рис. 127). По одной технологии (рис. 127, а) брак отливок доходил до 85—90%, в том числе и по недоливам —30—70%, несмотря на повышение температуры за­ливки сплава AJ19 до 1030—1060 К и увеличение скорости заливки [60 ]. По другой технологии (рис. 127, б) металл поступал в полость 1 спокойно: газы, выделяющиеся из стержня 2, им не захлестыва­лись. Изменения литниково-питающей системы свелись к следую­щему. Вместо высокого прямого стояка применен стояк 4 низкий змеевидный, на дне которого была проставлена фильтровальная сетка 5, а на питателе — бобышка 6 с выпором для гашения за­вихренного движения металла и удаления газов. Уменьшена и высота прибыли 5; прибыль закрыта надставкой 7. Несмотря на то, что температура заливки сплава была снижена до 990—1030 К, недоливы не имели места. В связи с заменой литниково-питающей системы кокиля крыльчаток брак отливок снизился до 10%, рас­ход жидкого металла сократился на 30—50%.

2 1

Рис. 127. Старое (а) и новое (б) устройство литниково-питающей системы в кокиле

Крыльчатки:

1 — литейная полость лопатки; 2 — стержень; 3 — прибыль; 4 — стояк; 5 — сетка; 6 — бобышка; 7 — надставка

S

Основные положения правильного устройства литниковых си­стем для кокилей состоят в том, чтобы обеспечить: направленное затвердевание отливки; поступление в полость формы спокойной струи металла; надежное улавливание плен и шлака, образовав­шихся в металле до поступления его в форму; предотвращение образования их уже в литейной полости; надежное питание тепло­вых узлов отливки.

Направленность затвердевания обеспечивается надлежащим расположением отливки в форме с размещением тонких стенок в нижней части кокиля, использованием искусственного охлажде­ния отдельных утолщенных частей отливки, применением заливки сверху с поворотом кокиля на разные углы. Специально разрабо­танная установка позволяет ускорить поворот формы и обес­печить повышение эффективности данного процесса (Н. М. Галдин, И. А. Релин, А. с. № 393025, 1973).

С целью более плавного поступления металла и очистки его от плен и шлака используют не прямые вертикальные стояки, а бо­лее сложной конфигурации — зигзагообразные, змеевидные, в виде «гусиной шейки», наклонные и др. —с подводом металла преиму­щественно в нижнюю часть отливки. Верхний подвод металла при­меняют только в случае малой высоты отливки (до 100 мм). Для подвода металла к полости формы рекомендуются щелевые верти­кальные питатели зачастую неодинакового сечения по высоте. Может быть использован сифонный, а при высоких отливках — многоярусный подвод металла. В любом случае применяют расши­ряющуюся литниковую систему, которая обеспечивает минималь­ную скорость струи металла на выходе из питателей в форму.

Заливка с поворотом формы дает возможность регулировать скорость потока в процессе литья. С этой же целью применяют специальные устройства, например, в стояке устанавливают кони­ческий стопор с приводом. В начале заливки он опущен вниз, что обеспечивает малый расход металла. По мере заполнения формы металлом стопор поднимается вверх и расход металла увеличи­вается (И. А. Релин, Н. М. Галдин, А. с. № 328981, 1972 г.). В слу­чае литья высоких отливок в стояке может быть установлен пор­шень на штоке, движущийся вниз, что приводит к гашению ско­рости потока и предупреждает вспенивание металла в зумпфе (Н. М. Галдин, А. с. № 346016, 1972 г.). Для плавного заполнения крупных массивных отливок простой конфигурации применяют литниковую систему, выполненную в самовсплывающем стержне (Н. М. Галдин, А. с. № 465260, 1975 г.).

Для улавливания шлака и плен в литниковых системах исполь­зуют фильтры и сетки. Надежным средством является применение фильтров из стеклоткани ССФ-4. Рекомендуется такие фильтры устанавливать в нижней части литниковой системы, чтобы они незначительно уменьшали напор и обеспечивали снижение тур­булентности потока. Фильтры преимущественно используют при литье тонкостенных отливок. Исследования [79] показали, что из 100 случаев брака в виде течи отливок из сплава АЛ9 при гидро­испытаниях 95 случаев приходилось на тонкие стенки из-за ско­пления там окисных плен. По этому виду дефекта браковались до 40% отливок с толщиной стенки 3—5 мм. После применения фильтров брак снизился до 4,5%.

Для крупных деталей иногда применяют металлические сетки, которые устанавливают между прибылью и вертикальным щелет вым питателем. Представляет интерес заливка формы через зали­вочную трубку, на конце которой жестко закреплен мешочный фильтр. Эту трубку вводят непосредственно в форму, в стояк либо через прибыль в зависимости от конфигурации отливки и опускают по возможности на дно формы. По мере наполнения формы металлом трубка поднимается, при этом расплав поступает в верхнюю часть отливки, а шлак удерживается в фильтре (В. И. Фундатор и др., А. с. № 347113, 1972 г.).

Для получения плотной отливки используют прибыли. Они могут располагаться непосредственно над питаемым узлом или на­ходиться между стояком и питателем. Такое расположение при­были чаще всего используют при щелевых и многоярусных лит­никовых системах. В верхней части прибыли делают канал, соеди­няющий ее с атмосферой.

4. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА КОКИЛЕЙ

Особенность устройства кокилей для алюминиевых сплавов обусловливается многими факторами: сравнительно низкой тем­пературой заливки расплава, преимущественно сложной конфи­гурацией отливок, их разностенностью, чувствительностью к на­рушению направленного затвердевания, высокой пластичностью сплава, чувствительностью жидкого сплава к воздействию формы и атмосферы и др. Алюминиевый расплав ввиду невысокой тем­пературы и образования окисной пленки оказывает менее интен­сивное тепловое воздействие на кокиль, чем сталь или чугун. Кокиль нагревается до более низких температур и более равномерно по сечению.

Для литья алюминиевых сплавов используют относительно толстостенные кокили; они имеют повышенный срок службы и в них легче получать тонкостенные отливки благодаря большой тепловой инерции. Строгие подходы к выбору толщины стенок кокилей изложены в гл. VIII. Укажем практические рекоменда­ции: при толщине стенки 5 мм толщина кокиля должна быть 20 мм для сплавов с пониженными литейными свойствами и 40 мм — для сплавов с хорошими литейными свойствами; при толщине отливки 20 мм —соответственно 40 и 80 мм. Практика работы подтверждает целесообразность изготовления толстостенных ко­килей. Имеют свои преимущества и тонкостенные кокили [175]. Для их изготовления требуется меньше металла, их легче подо­гревать перед заливкой, они иногда улучшают условия питания отливок, уменьшают вероятность образования в них трещин.

Следует отметить целесообразность использования алюминие­вых анодированных кокилей для изготовления отливок из алю­миниевых сплавов. Материалы, рекомендуемые для рабочих сте­нок таких форм, указаны в табл. 20. По другим данным для алю­миниевых кокилей следует применять теплостойкие и термически выносливые поршневые сплавы [164].

При получении в кокилях сложных и разностенных алюминие­вых отливок должны быть предусмотрены особые меры, предупре­ждающие нарушение направленного или равномерного затверде­вания. Для этой цели могут быть использованы различные спо­собы регулирования скорости затвердевания частей отливки. Их выбор диктуется необходимой степенью воздействия на условия теплообмена, особенностькГотливки и устройства кокиля. В ка­честве примера на рис. 128 приведена конструкция кокиля для литья детали топливного насоса [101]. По принятой схеме заливки формы в наиболее тяжелых условиях находятся стержни-вставки 3: они перегреваются и быстро выходят из строя; в отливке наруша­ется направленность затвердевания, образуются рыхлоты. В связи с этим введено автономное водяное охлаждение. Для лучшего контакта камеры 2 с кокилем 1 воздушный зазор между ними’устра – нен теплопроводной графитной набивкой. Водяное охлаждение работает в автоматическом режиме. Внедрение такого охлаждения позволило сократить цикл работы (съем с одного кокиля увели­чился с 80 до 200 отливок за смену), улучшить качество отливок,

Значительно повысить стой­кость кокилей, сократить на 1,3 кг расход металла на каж­дую отливку и получить об­щую экономию 10 тыс. руб. в год. Для регулирования те­пловых условий литья при­меняют также локальное охла­ждение кокиля [62].

О 200 Ш 600 МО 1000 Д В. 1,мм

Рис. 128. Эскиз кокиля с автономным охла – Рис. 129. Зависимость величины зазоров Д ждением: между подвижными частями кокиля от их

1 – кокиль; 2 – водоохлаждаемые каме – размеров (диаметра D, ширины В, длины г) ры; 3 — боковая вставка-стержень; 4 — Нижний стержень; 5 — трубка

Получение отливок из алюминиевых сплавов в отдельных слу­чаях целесообразно в кокилях с литыми рабочими полостями. Стоимость таких кокилей намного ниже стоимости кокилей, подвергаемых механической ^обработке. Применяя кокили без обработки, следует учитывать, что обычно отливки из алюминие­вых сплавов требуют большей точности и чистоты поверхности, чем отливки из черных сплавов. Поэтому необходимо заботиться о качестве изготовления заготовок для кокилей, применять особые способы их литья, обеспечивающие точность размеров и достаточно чистую литую поверхность. Точность изготовления кокилей определяется точностью отливок.

Труднее всего выбирать оптимальные зазоры между подвиж­ными частями формы. Авторами работы 138] изучался этот вопрос в течение нескольких лет, в результате чего предложены таблицы и график по выбору зазоров. На рис. 129 дана графическая зави – – сймость целесообразных зазоров (1 —максимальных, 2 —мини­мальных) между подвижными частями от размеров последних. Пределы этих зазоров (на графике—область заштрихована) обеспе­чивают нормальное сопряжение подвижных частей кокиля, исклю­чают их заклинивание и перекосы, а также не служат местами воз­никновения заливов металла. Многолетняя практика подтвердила правильность разработанных рекомендаций.

5. ПОДГОТОВКА КОКИЛЕЙ И ТЕМПЕРАТУРА ЗАЛИВКИ

Операции по подготовке кокилей включают подготовку песча­ных стержней (если они предусмотрены технологическим процес­сом), нанесение на кокили покрытий и обеспечение заданной на­чальной температуры формы.

Подготовка песчаных стержней заключается обычно в их тща­тельной отделке и сушке. Указывается, например, что эффектив­ным способом является прокаливание при 670 К в течение 5 мин [151].

Рецепты некоторых покрытий, опробованных на практике и давших хорошие результаты, приведены в табл. 32. Ряд составов покрытий разработан в НИИСЛе. Почти все покрытия следует на­носить на рабочие поверхности очищенных и подогретых кокилей. Лучше всего это делать перед длительным перерывом в работе, используя теплоту кокиля после выбивки последней отливки. Окрашивать холодный или перегретый (свыше 520 К) кокиль не­целесообразно, в последнем случае краска может вскипеть и не образовать сплошной пленки. Чаще всего различные элементы кокиля в зависимости от их назначения окрашивают различными красками. Толщина покрытия определяется необходимыми усло­виями охлаждения отлирки.

Покрытия для кокилей

Таблица 32

Номер по пор.

Состав краски

Темпера­тура ко­киля, 0C

Способ нанесения; применение

1

Высоковоспламеняющееся мас­ло — 500 г Керосин — 200 г Канифоль — 30 г Алюминиевый порошок —-Юг

60—200

Пульверизатором

2

Огнеупорный порошок (окись алюминия, хромитовая мука, гра­фит и Др.) — 30—60% Натриевый метаалюминат — 1— 18%

Вода — 30—60%

Суспензатор (камедь или полиса- харит) — 0,1—1,0%

100—250

»

3

Цинковые белила сухие — 15% Асбестовая пудра — 5% Жидкое стекло — 3% Вода — 77%

150—200

Для рабочих поверх­ностей

4

Асбестовый порошок — 8,7% Мел — 17,5% Жидкое стекло — 3,5% Вода — 70,3%

150—200

Для литников

5

Асбестовый лист — 100% Жидкое стекло (для склеивания)

20—50

Для облицовки при­быльной части кокиля

6

Тальк—30% Жидкое стекло — 16% Вода — 54%

250—300

Как первый слой по­крытия или для поверх­ностей, не соприкасаю­щихся с жидким метал­лом (например, пласти­ны в пакетах податли­вых элементов)

7

Цинковые сухие белила —¦ 15% Жидкое стекло — 2% Вода — 85%

Окунанием

Для заливочных при­способлений

8

Окись железа Fe2O3 — 25—30% Вода — (плотность 1,2-— 1,3 г/см3) — 75—70%

Сушка 170—200

Окунанием, покрытие пылевидным тальком

9

Отмученный мел — 5% Жидкое стекло — 5% Вода — 90%

Для тиглей и плавиль­ного инструмента

10

Графит — 17% Глина — 18% Жидкое стекло — 5% Вода — 60%

То же

Рис. 130. Зависимость свойств сплава AJI-19 от температуры заливки T при T = 100° С

Перед заливкой жидким металлом кокили подогревают до определенной температуры, чем также влияют на скорость охлаждения отливки. Так, при нагреве кокиля от 370 до 670 К скорость охлаждения центральной части слитка диаметром 70 мм из сплава АЛ 19 изменяется от 83 до 15,6 град/мин. Однако следует пом­нить, что повышение скорости за­твердевания способствует улучше­нию свойств сплава лишь до опре­деленного предела. Чрезмерное же ее увеличение может привести к макро – и микродефектам от­ливки (неспаи, недоливы, сосредоточенная усадочная пористость) и к снижению качества сплава. Поэтому заливка в холодный или слабо подогретый (менее, чем на 100 град.) кокиль не рекоменду­ется. В свою очередь, значительный нагрев кокиля (свыше 670 К) вызывает огрубление структуры, увеличивает опасность образования пористости и ухудшает служебные свойства металла.

Так же влияет и повышение температуры заливаемого металла.

На рис. 130 приведены данные изменения свойств сплава АЛ19 в зависимости от температуры заливки, из которых видно небла­гоприятное влияние повышения температуры заливаемого металла на свойства, во-первых, вследствие уменьшения скорости затвер­девания отливки, а во-вторых, вследствие большей газонасыщен­ности металла.

Каждый из рассмотренных факторов так либо иначе влияет на термические условия литья и, следовательно, определяет наиболее важные условия формирования отливки. Все они связаны между собой единым физическим механизмом. Поэтому выбор каждого из них должен проводиться с учетом влияния всех других. Воз­можности комплексного подхода определяются идеями и методами теории литья (см. первый разд.).

6. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА И ЗАЛИВКА

Плавка алюминиевых сплавов может проводиться в различных плавильных агрегатах: в тигельных горнах, пламенных печах, электропечах сопротивления различных конструкций и в индук­ционных печах промышленной частоты. По качеству лучшим счи­тается металл, выплавленный в индукционных печах промышлен­ной частоты. Так, например, количество неметаллических вклю­чений в металле, выплавляемом в индукционной печи, составило

Рис. 131. Зависимость между содержанием водорода и окислов в жидком алюминии

0,09 мм2/см2, а в пламенных газо­вых печах — 0,26 мм2/см2. Содержа­ние водорода соответственно 0,11 и 0,47 см3/100 г.

В цехах массового производства и при литье мелких отливок целесо­образно кроме плавильных печей уста­навливать раздаточные печи, обслуживающие данный кокиль или группу кокилей.

Ведение плавки алюминиевых сплавов при литье в кокиль практически ничем не отличается от ведения плавки при других способах литья [86, 110]. Основное внимание должно быть обра­щено на предупреждение окисления и растворения газов в жидком металле. Окисление приводит к потерям легирующих элементов и основного металла, загрязнению расплава окислами алюминия. Последние не только дают плены и неметаллические включения, но и способствуют растворению водорода в расплаве. Существует прямая зависимость между содержанием окислов и количеством растворенного водорода в металле (рис. 131).

Алюминиевые сплавы, особенно на основе системы алюминий— кремний, нуждаются в модифицировании с целью измельчения структуры и повышения механических свойств. Правда, при ко­кильном литье, как уже было отмечено, измельчение структуры происходит из-за большой скорости затвердевания, однако неко­торые сплавы все же необходимо модифицировать, прежде всего заэвтектические силумины, применяющиеся в качестве поршне­вых сплавов.

В этих сплавах при увеличении скорости охлаждения, дости­гаемого снижением температуры кокиля, получить достаточно высокие механические свойства и хорошую структуру невозможно. Это можно достичь только путем модифицирования сплава [151].

В качестве модификатора используют фосфор в количестве 0,10—0,17%. Натрий, который является прекрасным модифика­тором для доэвтектических и эвтектических силуминов, совершенно не пригоден для модифицирования заэвтектических сплавов. Присутствие в заэвтектических силуминах ничтожно малых при­месей натрия, а также кальция резко снижает эффект модифици­рования фосфором, поэтому рекомендуется иметь в сплаве не более 0,001% Na и 0,004% Ca. Модифицирующее действие оказывает также ряд элементов,: ^образующих с алюминием тугоплавкие ин – терметаллиды (Mo, Ti я др.). У заэвтектических силуминов наи­более мелкозернистая структура достигается в случае введения в него одновременной),02%|Р, 0,02% Ti и 0,02% В.

7. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

Литье поршней. Поршни представляют технологически слож­ную отливку. Они отличаются большой разностенностью, имеют резкие переходы от толстых сечений к тонким. Поршни большин­ства конструкций имеют внутреннюю полость, затрудняющую извлечение стержней, что вынуждает делать последние разъемными из трех, пяти или даже семи частей. После заливки формы металлом и образования достаточно прочной корки на поверхности отливки извлекается средняя часть стержня, чем обеспечивается некоторая его податливость. Через некоторое время извлекают и остальные его части. На рис. 132 изображены две конструкции поршня дви­гателя СМД-60. Для прежней конструкции (рис. 132, а) требо­вался стержень из пяти частей. Новая конструкция поршня (рис. 132, б) позволила упростить устройство стержня — вместо пятиклинного моноклинный металлический стержень. Аналогич­ные изменения были произведены и в технологии литья поршней двигателя СМД-14 [92].

В настоящее время существуют два принципиально различных способа литья поршней —литье днищем вверх и литье днищем вниз. При литье днищем вверх преимущественно используется верхняя подача металла и установка верхней прибыли. Это создает более благоприятные условия для питания утолщенной части от­ливки — днища. Однако верхняя подача ограничивается высотой отливки, так как при литье высоких поршней создается опасность разбрызгивания металла, загрязнения его неметаллическими вклю­чениями и образования заворотов. Сифонный же подвод металла уменьшает эффективность использования верхней прибыли.

Способ литья днищем вверх может быть успешно использован только в случае простой конфигурации внутренней полости от­ливки, при которой возможно применение одного цельного стер­жня — моноклина. Такой способ, кроме всего, упрощает механи­зацию и автоматизацию процесса. Как правило, его применяют только для литья мелких поршней (с диаметром "до 100 мм). На ВАЗе поршни автомашин получают именно таким способом

Рис. 132. Старая (а) и новая (в) конструкции поршня двигателя СМД-60

В автоматизированных кокилях. В средней части днища отливки установлена открытая прибыль. Металл заливается сверху в два стояка одновременно. Стояки имеют перегиб, в результате чего происходит снижение кинетической энергии металла. Весь цикл изготовления поршня от заливки до выбивки составляет 45—50 с.

Большинство поршней получают литьем днищем вниз. В этом случае используют водоохлаждаемые поддоны кокиля, часто выполняемые из меди, что способствует созданию более направлен­ной кристаллизации и улучшению макроструктуры металла днища поршня. Однако в большинстве случаев только путем этого спо­соба обеспечить плотный металл днища практически невозможно. Необходимо организовать достаточное питание его из боковой прибыли. Она выполняется массивной и на всю высоту или выше отливки. Для повышения эффективности работы прибыли поверх­ность оформляющей ее полости формы покрывают теплоизоли­рующей краской. Суммарная масса прибылей составляет обычно 40—60% от черной массы поршня и зависит от его конструкции и материала. В крупных поршнях ставится кольцевая прибыль и на юбке.

Питатель обычно применяют щелевой, имеющий высоту, почти равную высоте поршня с одинаковым сечением по всей высоте или различного сечения в различных местах (например, утолщение в массивном сечении у днища). Иногда делают более низкие пи­татели, подводящие металл только в нижнюю часть.

Стояк выполняют таким, чтобы обеспечить спокойное заполне­ние металлом формы и предотйратить попадание окисных плен. Распространенными являются стояки типа «гусиной шейки». Применяют также змееобразные и простые наклонные.

Интересное решение для литья поршней из заэвтектических силуминов предложено в работе [41 ]. Для этого сплава применение хорошо зарекомендовавшей себя литниковой вертикально-щеле­вой системы с гусиной шейкой приводит к ухудшению структуры сплава. Это объясняется значительным (ниже ликвидуса) сниже­нием температуры металла ввиду прохождения по сложному пути в стояке, что вызывает чрезмерный рост и обособление первичных кристаллов кремния.

В работе [41 ] указывается, что преждевременное выделение первичного кремния в литниковой системе предотвращается уве­личением объемной скорости заливки путем применения «каран­дашной» литниковой системы. В этом случае стояк состоит из четырех каналов, расположенных в половинах кокиля в шахмат­ном порядке. Ввиду близкого расположения каналов (не более 2 мм) охлаждение металла в них замедляется. В то же время пере­мычки между каналами имеют достаточную толщину (до 14 мм), чтобы противостоять выкрашиванию из-за разгара и трещин.

Рис. 133. Схема литья поршия с воздействием ультра­звука:

1 — магннтострнкцнонный преобразователь; 2 — центральный клнн; 3 — боковой клнн; 4 — отливка; ? — кокиль

В нижней своей части каналы соеди­няются общим щелевым каналом с мень­шей площадью поперечного сечения. Металл в прибыль подводится по каса­тельной, чтобы создать дополнительное торможение. Кстати, для этого поршня выполнен питатель с различным сече­нием по высоте: в верхней части его ширина равна 12 мм, в нижней — 16 мм, а в месте перехода «юбки» в днище сделано утолщение, равное 25 мм; все это улучшает условия питания.

При литье крупных со значи­тельно утолщенными днищами пор­шней применяют кантовку кокиля при его заливке. Вначале кокиль наклоняется в сторону литника и производится заливка. Затем кокиль наклоняется в противоположную сторону, происхо­дит перераспределение кристаллизующейся жидкой массы, в ре­зультате чего исключается образование концентрированных рако­вин в днище. Кроме того, улучшаются условия питания его из основной прибыли с наиболее горячим металлом.

Интересный способ литья в кокиль поршней из алюминиевого сплава с 18,0—22,0% Si описан в работе [125]. Для улучшения внутреннего строения сплава и повышения его свойств центральный клин 2 (рис. 133) подвергается воздействию ультразвуковых коле­баний с помощью магнитострикционного преобразователя 1. При этом интерметаллиды и зерна кремния измельчаются в 5— 10 раз и при этом значительно повышаются свойства сплава. Применение ультразвука при кристаллизации сплава известно уже давно, этот процесс хорошо исследован и преимущества его очевидны. Однако он еще не нашел достаточного распространения.

Литейщиками ГДР (пат. № 109338) предложена следующая технология литья поршней. Металл в кокиль подводится снизу. После заливки форма поворачивается на 180° и одновременно ме­талл уплотняется в донной части и в бобышках с помощью спе­циально устроенных пуансонов.

\

287

Особые случаи литья

По патенту № 117375 (СССР) предлагается оригинальный спо­соб повышения долговечности поршней компрессоров путем арми­рования тонкой стальной проволокой. Тонкая проволока из мар – тенситной дисперсионно твердеющей стали предварительно нагре­вается в печи с восстановительной атмосферой при 670 К и протя-

Рнс. 135. Схема кокиля для получения ореб* ренных и тонкостенных алюминиевых от­ливок с применением вакуума:

1 и 3 — верхняя и нижняя части кокиля;

2 — вставка литниковой вороики; 4 — воздушный каиал; 5 — канал-коллектор; 6 — пакет пластин, образующих ребра;

7 — трубопровод К вакуум-насосу

Гивается через алюминиевый расплав, в результате чего покры­вается тонким его слоем и прессуется в пакеты, которые устанав­ливаются в кокиль и затем заливаются.

В последнее время, кроме изыскания новых и улучшения уже применяющихся сплавов, используют литье биметаллических поршней, что позволяет совместить положительные свойства алю­миниевых и железоуглеродистых или других сплавов. Металличе­ские вставки в полость формы изменяют тепловое поле, что необ­ходимо учитывать при литье.

Другие примеры. К особым видам литья алюминие­вых сплавов можно отнести литье в кокиль вакуумным всасыва­нием [82]. По этому способу кокиль 1 разогревали до 420 К и заливали жидким сплавом АЛ2 вакуумным всасыванием (рис. 134). Вакуум под колпаком 2 создавали с помощью ресивера, и металл за 6 с поднимался на уровень H и за 2—3 с заполнял полость ко­киля диаметром 80 мм и высотой 120 мм. Выдержка под вакуум составляла 80—85 с. Исследования отливки показали, что ее плот­ность несколько выше плотности аналогичной отливки, полученной в обычном кокиле с прибылью высотой более 3/4 высоты отливки.

Для получения плотных и с тонкими ребрами отливок предло­жено использование центробежной силы и вакуумирования при заливке кокиля [179]. Такие способы исключают недоливы, обес­печивая заполнение даже самых тонких сечений.

К ресиверу

Рис.’134. Схема литья в кокиль вакуумным всасыванием:

1 — кокиль; 2 — колпак; 3 — плита; 4 — уплотнитель; 5 — металлопровод; 6 — расплав

Использование вакуума дается на примере литья головок ци­линдров с тонкими-ребрами воздушного охлаждения (рис. 135). Ребра выполняются частями кокиля, собранными в виде пакета из отдельных пластин, в которых на расстоянии 10—15 мм от кон­тура ребер профрезерованы воздушные каналы 4. Эти каналы свя­заны между собой поперечным круглым каналом 5, который соеди­няется трубопроводом 7 с вакуум-насосом. При заливке кокиля происходит всасывание металла в тонкие (менее 3 мм) полости, оформляющие ребра отливки. Применение такого способа литья для головок цилиндра, имеющих тринадцать ребер, позволило снизить брак с 15 до 1%. При литье в кокиль тонкостенных дета­лей, имеющих внутренний стержень, вакуум используется для вывода газа из последнего.

Как особый следует отметить процесс литья в кокиль с кри­сталлизацией сплава под давлением поршня. Он применим для сравнительно несложных толстостенных отливок, не имеющих пес­чаных стержней. Этот способ обеспечивает повышение герметич­ности отливок и улучшение механических свойств металла.

Представляет интерес еще один особый вид литья в кокиле — литье с выливанием. Его используют для тонкостенных полых отливок. Состоит он в том, что металл, залитый в форму, выдержи­вают в ней до образования твердой корки заданной толщины, после чего остаток жидкого металла выливают. Изменяя толщину стенки кокиля, интенсивность теплоотвода, можно обеспечить получение равно – либо разностенных отливок. Этим способом можно полу­чить отливки со стенками толщиной менее 2 мм. Для литья с выли­ванием применяют сплавы, кристаллизующиеся при постоянной или в очень узком интервале температур. Только в этом случае можно получить достаточно гладкую поверхность внутренней полости (см. гл. IV).

8. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Из-за металла в отливках могут образоваться следующие де­фекты:

1) газовая пористость, причиной образования которой может быть увеличение содержания газов, растворенных в металле, и повышенная его температура при заливке;

2) шлаковые включения, являющиеся следствием применения при плавке загрязненных шихтовых материалов, некачественное рафинирование сплава и неполное время выстаивания его после процесса рафинирования и модифицирования;

3) несоответствие химического состава, что может быть резуль­татом неправильной шихтовки, загрязнения шихты, неправиль­ного ведения плавки, а также перегрева металла;

4) усадочные раковины, усадочная пористость, утяжины, не­доливы, неспаи из-за неправильного выбора температуры заливки.

Усадочные дефекты могут возникнуть также вследствие нару­шения направленности затвердевания и недостаточного питания массивных узлов отливки. Усадочные дефекты нередки в местах, формируемых сильно разогретыми участками кокиля.

Причиной усадочных раковин при щелевой литниковой си­стеме может быть недостаточное сечение питателей. Металл в та-

10 П/р А. И. Вейиика ком питателе застывает раньше, чем разогретая часть отливки, и преждевременно запирает прибыль, препятствуя ей выполнять свою питающую роль.

Способы предупреждения усадочных дефектов подробно обсуждались в предыдущих разделах книги. Эффективность их определяется частными усло­виями литья и во многих случаях может быть оценена количественно (см. гл. IV).

Как указывалось (см. параграф 3), шлаковые включения и плены образуются также по пути движения жидкого металла из ковша в форму. Способы предотвращения этих дефектов рассмо­трены в предыдущих параграфах. При этом отмечалась важная роль литниковой системы.

Однако коренное изменение литниковой системы в числе мер предупреждения включений и плен должно быть крайней мерой.

При литье деталей из алюминиевых сплавов появление брака во многом зависит от литниковой системы. Поэтому, выбирая лит­никовую систему, надежно предупреждающую один из видов брака, необходимо учитывать, какие изменения это внесет в про­цесс формирования отливок и какие новые пороки может породить подобное изменение. Так, первоначально в кокиле поршня была устроена щелевая литниковая система (рис. 136, а). Металл через литниковую чашу 1, питатель 2 и прибыль 3 попадал в полость формы через щелевой питатель. Такая система обеспечивала на­правленное затвердевание отливки, исключала образование уса­дочных дефектов. Кроме того, такое устройство чаши задерживало ранее образовавшиеся шлак и плены. Однако падение тонкой струи, всплески металла создавали благоприятные условия для их образования за «заградительной системой». В результате в верх­ней части отливки 5 образовывались пороки в виде шлаковых включений и плен 4.

Литниковая система была коренным образом перестроена (рис. 136, б), указанный брак исчез, но появился новый, не ме­нее опасный — усадочные раковины в нижней части отливки, в ме­стах, наиболее разогреваемых струей жидкого металла.

Недоливы и неспаи порождаются многими причинами: холод­ным металлом, низкой начальной температурой кокиля, медленной

Заливкой, большой газотвор – ностью стержней и красок и плохой вентиляцией ко­киля.

Устройство литниковых систем, ускоряющих заливку

Рис. 136. Щелевая (а) и сифоииая (б) литниковые системы кокиля поршия:

1 — чаша; 2 — питатель; 3 — прибыль; 4 — место включений шлака и плеи; 5 — отливки

И обеспечивающих ламинарное течение металла в каналах литниковой системы, может быть весьма эффективным средством предупреждения недоливов и неспаев. Заполняемость можно также значительно улучшить соответствующей окраской, подогревом, вибрацией кокиля.

Снижение газотворной способности стержней (за счет подбора соответствующих смесей, прокаливания стержней и т. п.) во всех случаях благоприятно, и эта мера должна осуществляться раньше других. Хороший отвод газов из кокиля — также обяза­тельное условие предупреждения не только недоливов, но и дру­гие видов брака. Что касается ускорения заливки, повышения начальной температуры кокиля, температуры заливки и сниже­ния теплоаккумулирующей способности формы как мер предупре­ждения недоливов, то их использование без оценки вероятности появления других видов брака недопустимо.

Ю*

ЛИТЬЕ СЕРОГО ЧУГУНА

1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость и поверхностное натяжение литейных сплавов имеют большое значение для про­цессов питания затвердевающей отливки, заполнения тонких полостей и взаимодействия отливки с покрытиями форм. К такому выводу легко прийти на основании материалов, изложенных в гл. IV и VI. Так, например, вязкость входит в расчетные формулы для определения ширины зоны осевой пористости [формула (38)], количества профильтровавшегося расплава через сетку кристал­лов (величина коэффициента фильтрации зависит от вязкости), зоны действия прибыли [формула (47)]. С поверхностным натя­жением расплава связано капиллярное давление.

На рис. 94 приведены кривые изменения кинематической вязкости V чугуна по данным Н. И. Клочнева [66]. Как видно, для до – за – и эвтектических сплавов v снижается с повышением температуры. Такая же закономерность существует для чистого железа [34]. Влияние основных элементов, содержащихся в чу­гуне, таково: углерод в доэвтектической области и фосфор пони­жают вязкость, кремний, сера и углерод при содержании больше эвтектического —ее повышают [119].

Поверхностное натяжение серого чугуна находится в преде­лах 0,7—1,1 Н/м и понижается с повышением температуры и содержания углерода [66].

Жидкотекучесть. С увеличением концентрации углерода в доэв – тектическом чугуне жидкотекучесть растет, а в заэвтектическом падает. Влияние углерода усиливается с повышением содержания фосфора. Кремний и фосфор существенно влияют на жидкотеку­честь: она увеличивается с увеличением концентрации этих эле­ментов. Марганец и сера в тех количествах, в которых они обычно применяются при литье в кокиль, влияют несущественно [119].

Жидкотекучесть металла с повышением его температуры растет. Влияние кокиля на жидкотекучесть отчетливо видно из формулы (1). Жидкотекучесть повышается с увеличением начальной тем­пературы кокиля, толщины покрытия и с понижением коэффи-

8 П/р А. И. Вейиика

10,м2/с

V-107,м2/с

То 1500 1550 1600 к

А)

То 15оо 1550 woo к то то 7500 rsso jsoo ibsok 6) ‘ в)

Рис. 94. Кинематическая вязкость чугунов доэвтектнческого (а), эвтектического (б) и заэвтектического (в) составов:

/ — до обработки магнием; 2 — после обработки магнием. Стрелками показано направ­ление изменения температуры

Циента теплопроводности его материала. Основные из рассмотрен­ных закономерностей подтверждаются экспериментальными кри­выми (рис. 95), полученными в опытах с заливкой спиральных проб. Формулы типа (1) рекомендуются для аналитического опре­деления жидкотеку чести [165].

Сказанное выше относительно влияния покрытия на жидко- текучесть справедливо для обычных кокилей. При литье фасонных деталей в облицованные кокили толщина облицовки играет мень­шую роль. Из термофизических характеристик облицовки важное значение имеет коэффициент аккумуляции теплоты.

Зная температуру, при которой происходит остановка потока металла, по формуле (1) можно рассчитать путь, пройденный ме­таллом. Можно также определить, на сколько следует увеличить перегрев чугуна для компенсации снижения начальной темпе­ратуры кокиля. По опыту завода «Водоприбор», при уменьшении температуры формы на 50 град. T3ал следует увеличить на 25 град.

Эти данные получены при произ­водстве чугунных отливок мас­сой 17—22 кг и массе кокиля 400 кг.

1500 7600 Т700Т1ал, К Рис. 95. Влияние содержания углерода (/) и

_j___ I______ I______________ кремния (2), начальной температуры формы (3)

400 600 800 Т-,К и температуры заливки (4) на длину I спираль – ‘ ной пробы

Интересные технологические исследования жидкотекучести чу­гуна были проведены JL Б. Ко­ганом и другими исследователями с помощью U-образной пробы. Металл выплавляли в вагранке производительностью 4 т/ч. Ших – и 0,09—0,10 S. Чугун заливали при 1570 К. Во всех случаях жидкотекучесть чугуна, выплавленного по шихте II, была выше. Так, если длина прутка для чугуна по первому варианту состав­ляла 120 мм, то по второму 167 мм. Жидкотекучесть обоих чугу­нов оказалась одинаковой, когда температуру заливки металла II снизили до 1520—1540 К, т. е. на 30—50 град.

Линейная усадка. Это свойство чугуна зависит от его химиче­ского состава, скорости охлаждения отливки и других факторов, оказывающих влияние на фазовые превращения. Зависимость линейной усадки от содержания основных элементов чугуна иллюстрируется кривыми рис. 96 и 97. Из этих данных следует, что с увеличением содержания графитизирующих элементов усадка чугуна снижается. Элементы, препятствующие графитизации, усадку увеличивают. Связь свободной линейной усадки чугуна с его микроструктурой подтверждается данными, приведенными в табл. 21.

Как указывалось в гл. IV, общая линейная усадка сплава при литье в кокиль больше, чем при литье в песчаные формы. Это

Положение справедливо и для серого чугуна.

Для приближенного расчета линейной усадки чугунных отливок при литье в кокиль в работе [52 ] рекомендована формула

Е= 1,75- 0,24С-

— 0,65Сгр — (а-\-б)%,

Таблица 21 Линейная усадка чугунов

Типы чугуиов

Лиией-

 

Структура

Усадка, %.

 

Белый

Половин­чатый

П+Ц П+Ц+Гр

1,75— 1,65 1,64— 1,16

 

Перлитный

П+Гр

1,15— 1,10

 

Перлито – . ферритный

П+Ф+Гр

0,90— 0,70

 

Ферритный

Ф+Гр

0,60— 0,00

 

Составляющие шихты

I

Литейные чугуны JIKO,

JIKi………………………………………

60

Чугунный лом………………………

25

Собственный возврат

15

Передельные чугуны Б1, Б2

Ферросилиций……………………….

II

35 15 45 5

Ту применяли двух со­ставов:

Металл, полученный по шихте I, содержал 3,3 — 3,5% С; 2,3—2,5% Si; 0,4—0,6% Mn; 0,25— 0,30% Р; 0,10—0,12% S, а по шихте II: 3,6— 3,8% С; 1,6—1,8% Si; 0,6— 0,8%Мп; 0,06—0,12 P

Где С и Crp —содержание общего углерода и графита, %; а я б — параметры, зависящие от торможения усадки сопря­женными элементами отливки и песчаным стержнем соответ­ственно. Параметр а зависит от

‘ О 0,1 0,2 O1J Ofi 0,5 1,0 2,0 3,0 %

Рис.

В. Влияние химических элементов на лииейиую усадку чугуна

Конструкции отливки и нахо­дится в пределах 0,2—0,4. Величина б составляет обыч­но 0,15-0,25.

720О 1250 1300 1350 IUQO П50К

Рис. 97. Зависимость относительного удли­нения 4 и линейной усадки ? чугуиов от температуры при различном содержании фосфора по данным Л. Б. Когана и И. И. Новикова:

Сплошные кривые 0,2% Р; штриховые — 1,1% P

Т

На рис. 98 показаны кривые изменения усадки чугуна по мере охлаждения. Из кривых следует, что предусадочное расши­рение вследствие первичной графитизации протекает в период затвердевания. Этим объясняется пониженная склонность чугунов с пластинчатым графитом к образованию в них дефектов в виде пустот усадочного происхождения: выделяющийся при затверде­вании графит в большей или меньшей степени восполняет дефицит питания. Однако здесь необходимо подчеркнуть, что при литье в кокиль графитизация металла затруднена вследствие относи­тельно высокой скорости нарастания твердой корочки.

\

\ \

E

\

\Р 10 15

20 25 JOmin

Т, к

 

То

 

1200

 

0.S

 

1000

 

0,6

 

S00

 

OA

 

6 00

 

0.2

 

Т

 

0

 

-0,2,

 

Влияние положения чугунов на диаграмме состояния на за­кономерности образования в отливках усадочной пористости и раковин легко объяснить на основании теоретических положений, изложенных в гл. IV. Из условий (35) и (36) следует, что с повы­шением степени эвтектичности доэвтек – тических чугунов уменьшается склон­ность к образованию в отливках уса­дочной пористости, но увеличивается вероятность образования сосредоточен­ных раковин. Следует также, что усло­вия охлаждения отливок в кокилях препятствуют появлению в чугуне рас­средоточенных дефектов усадочного происхождения.

Рис. 98. Температурная зависимость свободной ли­нейной усадки е чугуна с пластинчатым графитом (Н. И. Клочнев)

Рис. 99. Зависимость показателя склонности к трещинообразованию кольцевых проб от содержа­ния фосфора в чугуне (штриховая линия — пока­затель склонности к образованию холодных тре­щин)

В сравнении с другими распро­страненными литейными сплавами чугун имеет сравнительно малую линейную и объемную усадку. Бла­годаря этим свойствам серого чугуна литьем в кокиль получают весьма сложные по конфигурации отливки с различной массой и толщиной сте­нок. При этом широко используют металлические стержни и болваны.

Трещиноустойчивость. С усадкой металла связаны напря­женно-деформированное состояние отливки и опасность возник­новения в ней трещин. В свете общих положений, изложенных в параграфе 7 гл. IV, оценка трещиноустойчивости материала отливки должна заключаться в сравнении температурных зави­симостей напряжений или соответствующих им деформаций с проч­ностью или пластичностью литого сплава.

Из производственного опыта литья в кокили известно, что с повышением содержания углерода и кремния склонность чугуна к образованию трещин заметно снижается. По данным, получен­ным при заливке в кокиль кольцевых проб, увеличение содержа­ния марганца с 0,5 до 0,9% повышает трещиноустойчивость чугуна; дальнейшее увеличение марганца приводит к отрица­тельным результатам.

Влияние фосфора на трещиноустойчивость чугуна при кон­такте отливки с формой можно оценить по кривым рис. 97. Как видно, при повышении содержания фосфора с 0,2% до 1,1% пластичность чугуна в нижней части эффективного интервала кри­сталлизации (1220 К) растет, а относительное удлинение падает. Из этого следует повышение трещиноустойчивости чугуна. Однако концентрация фосфора в количестве 0,2% соответствует наиболь­шей склонности чугуна к образованию в нем трещин (рис. 99). При P – V 0 трещиноустойчивость также растет, что объясняется уменьшением при этом интервала кристаллизации.

Как видно из рис. 99, при P >0,8% резко увеличивается опасность возникновения в отливках холодных трещин (штрихо­вая линия). По мнению авторов этих данных, растрескивание кольцевых проб при комнатной температуре связано с охрупчи – ванием чугуна.

Практикой получения тонкостенных чугунных отливок в ко­килях с металлическими стержнями установлено, что поверхност­ный отбел способствует образованию усадочных трещин. Связано это, по-видимому, с очень низкой пластичностью и относительно высокой усадкой цементитной корочки. Все мероприятия, обеспе­чивающие получение чугуна без отбела, способствуют повышению трещиноустойчивости отливок. Как показал опыт московских заводов им. Владимира Ильича и «Водоприбор», при содержании в чугуне 3,6—3,7% С и 2,4-2,7% Si (сумма не менее 6%) отливки типа подшипниковых щитов отбела не имеют, несмотря на малую толщину их стенок.

Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями при литье чугуна в кокиль меньше, чем при литье в песчаные формы. Объясняется это тем, что в кокиле значительно меньше источников образования указанных дефектов, чем в песчаной форме. Другие же источники этих дефектов (шихтовые материалы, плавка и заливка) мало связаны с особенностями технологии литья в кокиль и поэтому здесь не рассматриваются.

При охлаждении жидкого металла, особенно при затвердева­нии, растворимость газа в отливке уменьшается. Поэтому заливае­мый в кокиль металл может явиться источником газовыделения. Мощность этого источника связана с газонасыщенностью расплава. Процесс выделения газа из металла зависит от скорости охлажде­ния и давления. Повышение скорости охлаждения отливки при­водит к тому, что газы не успевают выделиться и остаются в раство­ренном (в металле) состоянии. Опыт показывает, что относительно небольшое давление 0,3 МПа (3 кгс/см2) вполне достаточно для подавления газовыделения. При литье чугуна, однако, основными источниками газовых дефектов являются влага, адсорбированная на поверхности кокиля, продукты окисления материала кокиля, газы, выделяющиеся вследствие деструкции покрытия кокиля, и, наконец, воздух, находящийся ‘в объеме рабочей полости ко­киля.

Железо и цементит в чугунном кокиле образуют микрогаль- ванопару, в которой в качестве анода выступает Fe, а в качестве катода Fe3C. Во влажной среде работа микрогальванопары за­ключается в следующем. Железо, теряя два электрона, превра­щается в катионы Fe++. Поскольку адсорбированная вода, будучи слабым электролитом, при диссоциации образует ионы ОН", происходит следующая реакция:

Fe+t + 20Н" – Fe(OH)2.

В поверхностном слое длительно работавшего кокиля было об­наружено 50% гидрозакиси железа [107]. Гидрозакись железа окисляется во влажной среде до Fe(OH)3. Одновременно проис­ходит восстановление ионов водорода до свободного газообраз­ного водорода. Таким образом возникает источник насыщения чугуна водородом.

Другим источником насыщения чугуна газом является разло­жение Fe(OH)2 по реакции

Fe(OH)2 FeO + H2O. Закись железа, в свою очередь, реагирует по схеме

FeO + С = Fe + СО с образованием угарного газа. Кроме того, возможна реакция

FeO + Fe3C = 4Fe + СО.

Что же касается выделения газа при нагреве кокильных по­крытий, то оно зависит от их состава и режима нанесения. Некото­рые сведения по этому вопросу приведены в гл. VI.

Для исключения опасности образования в отливке газовых раковин из-за воздуха, находящегося в объеме рабочей полости кокиля, последний должен иметь систему вентиляционных кана­лов. Для расчета площади сечения этих каналов рекомендуется формула (130).

Неметаллические включения в чугун могут вноситься извне и образовываться при взаимодействии примесей и газов, находя­щихся в металле. При литье в кокиль борьба с растворимыми вклю­чениями облегчается: с увеличением скорости затвердевания коли­чество примесей и их размеры уменьшаются.

Особенности микроструктуры. Повышенная скорость охлажде­ния отливки при литье в кокиль уменьшает степень графитиза – ции, увеличивает количество и дисперсность перлита, измель­чает графитные включения, что приводит к улучшению меха­нических и специальных свойств серого чугуна. Однако боль­шая скорость охлаждения и ее неравномерность по сечению отливки могут (при определенном химическом составе чугуна) привести к образованию особых структур, неодинаковых в раз­ных слоях с необычным их чередованием в отливках. Наиболее характерно для чугунных деталей, отлитых в кокиль, —наличие отбела в результате образования структуры белого чугуна на поверхности отливки. Интенсивность теплообмена и переохлажде­ние способствуют выделению в структуре связанного углерода (Fe3C), что и обусловливает образование отбела. Проблема преду­преждения отбела чугунных отливок при литье в кокили — одна из наиболее важных технологических проблем, решению которой посвящены работы многих исследователей [52, 105, 107, 148 и др. ]. Методы предупреждения отбела рассматриваются ниже.

Как аномальное расположение структур чугуна часто встре­чается следующее чередование их в отливках, полученных в ко­килях: в наружном слое П + Ц> 33 ним —Ф + Гр, в централь­ной части П – f Гр. При определенных условиях в наружном слое отливки может образоваться структура Ф – f Гр, во внутренних слоях —П – f – Гр. Образование ферритно-графитной структуры в^местахI повышенной скорости охлаждения на первый взгляд представляется явлением аномальным. В действительности такое явление обычно, оно обусловлено наличием дисперсного эвтек­тического графита (графита переохлаждения), который способ­ствует при перлитном превращении полному распаду аустенита и выделению феррита. Наличие в структуре чугуна феррито – графитной эвтектики заметно снижает некоторые его свойства (износостойкость, прочность и т. д.). Однако в ряде случаев фер- рито-графитная эвтектика оказывается полезной; она улучшает обрабатываемость отливок, повышает их герметичность, а иногда и повышает их термическую выносливость. Так как условия образования феррито-графитной эвтектики еще недостаточно изу­чены, то управление процессом структурообразования с целью ее предупреждения или стабильности формирования представляет собой сложную проблему.

Получение при литье в кокили благоприятной структуры чу­гуна (включая и наличие некоторого количества цементита, устраняемого последующим отжигом отливок) гарантирует от­ливкам более высокие, чем в случае литья в песчаные формы, ме­ханические свойства и герметичность. Литье чугуна в кокиль повышает его свойства до уровня, сопоставимого со свойствами литой и сортовой стали, а трудоемкость получения деталей при этом снижается почти на 50% 1162].

2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА

Примерные составы чугунов для литья в кокиль даны в табл. 22. С целью предупреждения в отливках отбела и умень­шения склонности к трещинам чаще всего увеличивают содержа­ние углерода и особенно кремния. Однако следует помнить, что при содержании кремния свыше 2,5% и большой скорости за­твердевания в чугуне обнаруживается силикокарбидная фаза, а при содержании кремния свыше 3,2% — жидкотекучесть сплава заметно падает.

Существенное влияние на предупреждение отбела оказывает модифицирование чугуна.[При модифицировании в расплаве может образовываться большое число центров кристаллизации. Некото­рые модификаторы нейтрализуют влияние вредных примесей.

Широко используемые на практике модификаторы указаны в табл. 22. Кроме них применяют силикокальций и графит. При высоком содержании углерода в качестве модификатора рекомен­дуется ферроцерий. В указанном случае другие модификаторы вызывают появление графитовой спели. Количество модифика­тора обычно вводят до 0,4% от массы жидкого металла. Исключение составляет ферроцерий. Как видно из рис. 100, при

Рис. 100. Влияние модификаторов чугуна на глу­бину h отбела технологической пробы: 1— алюминий; 2— силикокальций; 3— сплав ФЦМ-5 ®

5

Содержании ФЦМ-5 свыше, пример­но 0,2%, глубина отбела h увеличи – 41 вается. На том же рисунке приведены 5 данные о графитизирующем действии алюминия и силикокальция. 2

Наиболее сильное воздействие на качество чугуна оказывают комплекс­ные модификаторы. Последние не только изменяют параметры процесса кристал­лизации, но и рафинируют расплав. Анализ экспериментальных данных показывает, что при 1380 0C более половины введенного Si растворяется в чугуне; 26% идет на раскисление и 17% —на образование карбида кремния. Кальций же и церий в основном взаимодействуют с серой и кис­лородом, растворенным в металле. Алюминий в количестве 79% расходуется на образование окислов. Углерод в основном пере­ходит в раствор.

Уменьшение глубины отбела при модифицировании связано с уменьшением переохлаждения сплава. Следует ожидать, что элементы, которые в большей степени уменьшают переохлаждение, окажутся более активными модификаторами, предупреждающими отбел. Целесообразно сочетать модификаторы, образующие актив­ные зародыши и расширяющие зону критического переохлажде­ния [148].

Таблица 22

Химический состав (%) серого чугуна

Характеристика отлнвок

С

Sl

Mn

P

S

Модифи­каторы

Тонкостенные реб­

Ристые, отжигаемые

На феррит….

3,6 — 3,7

2,1-2,3

0,4 — 0,5

До 0,1

До 0,05

0,1 % KOKCH-

Ка — в пла­вильную печь перед выда­чей метал­ла; 0,05% ФЦМ-5 — в разливоч­ный ковш

Тонкостенные арма­

Турные неответ­

Ственного назначе­

Ния (без отбела)

3,2 — 3,8

2,5 — 3,2

До 0,8

0,4-0,6

До 0,1

Машиностроитель­

Ные (без отбела)

3.5 — 3,7

2,5 — 2,7

0,5 — 0,9

До 0,6

До 0,12

3,5 — 3,7

2,0 — 2,2

0,5 — 0,9

До 0,6

До 0,12

0,2% Al

3,2 — 3,4

2,0 — 2,2

0,5-0.9

ДО 0,6

До 0,12

0,2% Al,

0,3% ФС 75

В предыдущем параграфе рассматривались аномальные струк­туры чугуна. При борьбе с ними следует руководствоваться сле­дующими данными. Наиболее надежным способом получения перлитной структуры является применение специального модифи­цирования и легирования, в том числе и микролегирования. Весьма эффективными являются присадки в чугун сурьмы и олова, обеспечивающих получение перлитной структуры по всему сече­нию отливки (исследования И. П. Гладкого). Для предупреждения образования феррито-графитной эвтектики требуется присадка до 0,15% Sn. Сурьма является более эффективным перлитизатором, чем олово. Чтобы получить в чугуне перлитную структуру, доста­точно 0,05—0,1% Sb, при этом не образуется междендритное строение графита. Более эффективна комплексная присадка в чу­гун: олово и ферроцерия одновременно.

Положительные результаты по износостойкости получены после обработки чугуна присадкой ФЦМ-5. Износостойкость чугуна с присадкой олова и сурьмы, залитого в кокиль, на 10% выше, чем износостойкость чугуна, отлитого в песчаные формы.

3. ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Различные типы литниковых систем чугунных отливок при­ведены на рис. 101. В практике наибольшее распространение получил верхний подвод металла. При этом стойкость кокилей в 2—3 раза выше, чем при сифонной заливке. Кроме того, обеспе­чивается направленное затвердевание отливок и сокращается расход металла, на литники. Примеры конструкций производ-

Рис. 101. Схемы литниковых систем для получения отливок из серого чугуна в кокилях с вертикальной (а) и горизонтальной {б) плоскостями разъема

Ственных кокилеи с верхним подводом металла показаны на рис. 69, а; 70 и 72 и с боковым —на рис. 71. Для уменьшения разбрызгивания падающего с большой высоты металла кокиль иногда наклоняют на несколько градусов.

В кокиле более всего изнашиваются зоны, образующие литни­ковую систему, и часть формы, на которую попадает первая пор­ция металла. В связи с этим рекомендуется рассредоточенный подвод металла и плавное, безударное заполнение формы. Целе­сообразно в форме выполнять две литниковые системы для по­очередного использования каждой или предусматривать возмож­ность перехода на новую. Отливки из серого чугуна получают в кокилях обычно без прибылей.

В основе расчетных формул для расчета площади сечения эле­ментов литниковых систем лежит известное из курса гидравлики выражение, устанавливающее расход жидкости при вытекании через затопленное отверстие:

Q =VJP^wr, (134)

Где (i — коэффициент расхода; F — площадь отверстия; g — ускорение свободного падения; H — высота уровня жидкости над центром тяжести отверстия. Если считать, что в процессе заливки H не изменяется, то, очевидно,

М\ = p{Fnti\i V 2g#, (135)

Где M1 — масса отливки; pi — плотность жидкого металла; Fn — площадь сечения питателя; t1 — продолжительность заливки. Небольшим значением величины может быть период, в течение которого температура металла при движении в полости кокиля изменяется от Тзал до ГзаТв. Учитывая это из уравнения (1), полагая в нем г — 0 (фронт потока), находим

^^lnl"""^*, (136)

А1ф ‘ затв " ‘ с ф

Где Rc — приведенный размер полости формы.

В соответствии с рассуждениями, приведенными в параграфе 2 гл. II, можно положить Oc1 = XJXkp и Tc. ф =• Т2н. Тогда из урав­нений (135) и (136) окончательно находим

Fn =——————— P^f————— = • (137)

1 затв ‘ 2Н

Величина Fn, найденная с помощью формулы (137), является минимальной. Поэтому потребное сечение питателя определяется по выражению Fn = kF„,

Где k —коэффициент запаса, k > 1.

Зал

10 30 50 70 90 1002Х,,т

Рис. 102. График для определения 7"gaJ] в зависи­мости от толщины стеики отливки 2Xt

Для определения площади сече­ния других элементов литниковой системы рекомендуются следующие соотношения [52]:

Fn-F^-Fcr=I :1,15: 1,25,

Где Fjlx — площадь сечения литникового хода; Fct — площадь сечения стояка.

В заключение рассмотрим некоторые практические данные. Для отливок из серого чугуна скорость подъема металла в кокиле должна быть не менее 10 мм/с при толщине стенки отливки до 10 мм. По опыту производства тонкостенных отливок массой 15—30 кг в кокилях с вертикальным разъемом на заводе «Водо – прибор» (г. Москва) рекомендуются питатели, рассчитанные по условию: 1 см2 — на 4,5—5,0 кг массы отливки. По данным этого же завода, заполняемость формы и качество отливок заметно улуч­шаются применением обычного зумпфа глубиной 45 мм или ша­ровидного диаметром 50 мм.

Температура заливки Тзал чугуна в кокиль находится обычно в пределах 1280—1330° С. С повышением T3an стойкость кокилей падает. Поэтому в исключительных случаях (для получения отливок сложной геометрической формы) Тзал увеличивают до 1360° С. Для выбора T3an рекомендуется график, показанный на рис. 102.

В ряде работ выявлены многие «тонкости» влияния элементов литниковой системы на качество отливок. Так отмечается, что литниковые системы, обеспечивающие ламинарный поток чугуна при минимальной продолжительности, способствуют уменьшению отбела [171].

4. ПОДГОТОВКА КОКИЛЯ

Как видно из формул (4) и (4′), возможности управления ско­ростью затвердевания и, следовательно, формирования свойств отливки заложены в выборе начальной температуры кокиля, свойств и толщины покрытия формы, т. е. в осуществлении меро­приятий по подготовке формы к очередной заливке.

В зависимости от химического состава чугуна цементит в от­ливке образуется при скоростях затвердевания 5—2 мм/с. Изме­нение и с 5 до 2 мм/с приводит к увеличению размеров зерен цементита с 4 до 20 мкм.

Из экспериментальных данных, приведенных на рис. 103, следует, что с повышением Т2н вплоть до 720 К глубина отбела заметно уменьшается. При этом уменьшается также перепад

Кокиля 7"зн иа глубину отбела А отливки и перепад температуры 6Г2 по толщине

Стенки кокиля

Температур ST2 по толщине стенки формы (расчетные данные), что является положительным фактором с точки зрения стойкости кокилей. Влияние Т2Н на жидкотекучесть и усадку металла рас­сматривалось ранее.

При заливке чугуна в неподогретый кокиль в отливке могут образовываться подкорковые газовые раковины. Это объясняется тем, что на поверхности холодной формы адсорбируются пары воды. Если холодный кокиль перед заливкой обтереть керосином или машинным маслом, то эти дефекты не возникают. При Tiil более 770 К не исключено появление в отливках газовой пори­стости. Для выбора T211 в производственных условиях можно пользоваться графиком, показанным на рис. 104.

В табл. 23 приведены покрытия, рекомендуемые НИИСЛ для литья чугуна. Согласно классификации, данной в гл. VI, все они относятся к группе тонкослойных. Составы 2 и 4 предназна­чены для многоразового использования: наносятся в качестве под­слоя 1—2 раза в смену. Составы 1, 3, 5 и 6 являются разовыми. Они могут наноситься на многоразовый подслой или непосред­ственно на рабочую поверхность кокиля. В практике литья в ко­киль чугуна в качестве разового тонкослойного покрытия широко применяют водный раствор пасты ГБ. Состав разводят до плот­ности 1080—1100 кг/м3.

Рис. 104. График для выбора начальной тем­пературы кокиля в зависимости от приве­денной толщины стенки отливки ^no

С помощью расчетных формул параграф 2 гл. II определяют толщину покрытия Xkp при заданных термических условиях литья, например скорости затвердевания, длительности каждой стадии охлаждения отливки или ее элемента и др. Необходимые для вы­числений значения Я, кр можно принять по данным, приведенным в табл. 3 и 4 (см. гл. VI), или рассчитать по формуле (60). Экспериментальные величины Хкр для многочисленных составов можно найти также в работах [11, 16—19, 56, 147 и др.].

Таблица 23 Составы покрытий и красок для литья чугуна, % по массе *

№ состава Jf

Сажа TM-15

Огнеупор­ная глина

Молотый тальк

Молотый шамот

Ацетилено­вая копоть

Марганцево-

Кнслый

Калий

(сверх 100%)

Бура (сверх 100%)

Жидкое стекло

Смачиватель ОП-7 или

Оп-ю

1 2

3

4

5

6

4

10—15 7—10

* Оста ** Соде

2

4

10—15 **

Льное — во ржание гл!

23 да.

1ННСТОЙ

40

Эмульс

100 ии гтл01

0,05 0,05

Гностью 13

1,2 30—140

4 6 8

5—7

Кг/м3.

0,5 0,4—0,6

В заключение необходимо отметить, что комплексную оценку влияния на условия формирования отливки всех факторов, свя­занных с подготовкой кокиля, можно дать с помощью структурных диаграмм, приведенных, на рис. 12 или 51, и расчетных зависи­мостей гл. II. Примеры практического применения указанных диаграмм описаны в гл. III и VII.

5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Термическую обработку чугунных отливок, получаемых при литье в кокили, осуществляют для устранения отбела и феррито – графитной эвтектики, снятия внутренних напряжений и улучше­ния механических свойств. Наиболее часто ее применяют для устранения отбела.

Термическая обработка состоит из высокотемпературного гра – фитизирующего отжига с нагревом до 1120—1220 К, некоторой выдержки и охлаждения вместе с печью или на воздухе. Для устранения отбела может быть осуществлена также термическая обработка отливок сразу после выбивки из формы: отливки в го­рячем состоянии загружают в печь, нагретую до 1220 К, выдер­живают в ней 2—3 ч и охлаждают на воздухе.

В настоящее время некоторые заводы начали подвергать тер­мической обработке отливки с целью перлитизации структуры чугуна, содержащей междендритный графит. При нагреве чугуна с междендритным графитом распад эвтектоидного цементита успе­вает произойти до достижения температуры Acf. Процесс аусте – низации протекает в металле за счет растворения углерода графита в Fev. Аустенит зарождается и растет в первую очередь около включений графита. С увеличением температуры нагрева количе­ство аустенита возрастает. Однако в интервале Ac^—Ас\ (1050 — 1100 К) превращение не завершается. Небольшие участки феррита наблюдаются в дендритах чугуна при нагреве выше Ас\.

Данные металлографического и высокотемпературного рент- геноструктурного анализа свидетельствуют о том, что в чугуне с междендритным графитом участки феррита сохраняются при нагреве до 1190—1200 К. Нагрев до более высоких температур (выше 1270 К) сопровождается интенсивным растворением и сфе – роидизацией графитовых включений. Для полного исключения структуры свободного феррита в чугуне аустенизацию необходимо проводить при более высоких температурах (>Лс3на 120—150 град).

При одном и том же химическом составе чугуна время, необ­ходимое для насыщения аустенита углеродом междендритного графита, в 5—8 раз меньше, чем время, необходимое для насыще­ния углеродом пластинчатого графита (Г. Г. Бойко). Это объяс­няется тем, что междендритный графит отличается чрезмерной дисперсностью и сильно развитой межфазовой поверхностью.

Наиболее высокие механические свойства у чугуна с меж­дендритным графитом достигаются при трооститной металличе­ской основе, которая обеспечивается закалкой с последующим от­пуском при 770 К. Температура высокого отпуска чугуна с меж­дендритным графитом не должна превышать 870 К во избежание образования ферритной металлической основы. Оптимальная температура закалки чугуна 1220—1270 К. Наибольшей износо­стойкостью обладают чугунные отливки с междендритным графи­том после закалки и отпуска при 570—670 К. Закалка и отпуск чугуна с междендритным графитом повышает механические свой­ства в 1,5—2 раза и износостойкость в 3—6 раз (Г. Г. Бойко).

Снятие внутренних напряжений в отливках производится на­гревом до 770—870 К, выдержкой 2—8 ч (в зависимости от кон­фигурации и габаритных размеров отливки) и охлаждением вместе с печью со скоростью 20—50 град/ч до 520 К-

6. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Брака отливок при литье в кокиль по сравнению с литьем в песчаные формы обычно меньше, а некоторые виды брака (воз­никающие при литье в песчаные формы) вовсе не наблюдаются. Однако появляется ряд специфических видов брака, связанных с большой жесткостью литейных форм и повышенной скоростью охлаждения в них отливок. Наиболее распространенные дефекты чугунных отливок — их отбел и аномальное чередование в них структур чугуна — подробно рассмотрены выше.

Специфические виды брака при литье чугуна в кокиль, при­чины брака и методы устранения сведены в табл. 24,

Таблица 24

Виды брака, причины и способы предупреждения

Причина брака

Способы предупреждения

Hecoomeen

Отклонение состава металла Нарушение температурного ре­жима плавки, модифицирования и заливки

Несоответствие начальной темпе­ратуры кокиля

Нарушение режима нанесения на кокиль теплозащитного покрытия

Чствие структуры

Соблюдение установленных для данного технологического процесса: состава металла; режима плавки; состава, количества и режима ввода модификато­ра; режима заливки; начальной темпера­туры кокиля; состава и толщины тепло­защитного покрытия

Газо

Подсос воздуха при заливке

Повышенное газосодержание за­ливаемого металла Недостаточная вентиляция по­лости кокиля

Низкая температура заливаемого металла

Холодный кокиль и непросушен – ное теплозащитное покрытие Перегретый кокиль

Сильно окисленная поверхность кокиля при значительном разгаре

Повышенная газотворная спо-. собность песчаного стержня

Вые раковины

Изменение конструкции литниковой си­стемы с целью исключения возможности отрыва струи от поверхности формы и раз­брызгивания потока при входе в рабочую полость

Изменение состава шихты и повышение температуры перегрева Увеличение сечения вентиляционных от­верстий и устройство дополнительных Повышение температуры заливаемого ме­талла

Подогрев кокиля, тщательное просуши­вание покрытия

Охлаждение кокиля и в дальнейшем под­держание оптимальной частоты заливки и режима охлаждения формы Очистка кокиля, ликвидация сетки тре­щин (обычно путем механической обработ­ки), нанесение на кокиль при консерва­ции антикоррозионного покрытия Снижение газотворной способности свя­зующего, тщательное высушивание стерж­ня, снижение скорости заливки металла

Hedo

Недостаточная жидкотекучесть расплава

Большая протяженность литни­ковой системы

Ливы и неспаи

Повышение температуры заливаемого ме­талла, снижение содержания серы и по­вышение содержания фосфора и кремния (не более 3%)

Устройство коротких литниковых систем, заливка сверху

Продолжениетабл. 24

Причина брака

Способы предупреждения

Ускоренное охлаждение потока расплава

Повышение начальной температуры ко­киля, тщательное нанесение теплозащит­ного покрытия на кокиль в зоне литнико­вой системы

Нетехнологичность конструкции отливки

Разъем кокиля по кромке от­ливки

Местный перегрев отливки Недостаточная податливость формы

Залив металла по поверхностям сопряжения частей кокиля Ускоренное и неравномерное охлаждение отливки после извле­чения из кокиля

Трещины

Упрощение конструкции отливки: выпол­няются плавные переходы, вводятся гал­тели, уклоны и др.

Перенос разъема формы на расстояние не менее 2—3 мм от кромки отливки Рассредоточивание подвода металла Применение податливых песчаных стерж­ней, раннее извлечение металлических стержней, раскрепление кокиля и извле­чение отливки из формы Тщательная сборка формы, подгонка ча­стей кокиля

Замедление охлаждения отливки, напри­мер путем помещения ее в термостат

ЛИТЬЕ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость чугунов, неза­висимо от их положения на диаграмме состояния, после обра­ботки магнием и церием заметно падает. Снижение температуры расплава приводит к повышению вязкости (см. рис. 94). Вязкость растет с увеличением содержания углерода и при изотермической выдержке. Последнее обстоятельство, по мнению Н. И. Клочнева, связано с удалением из расплава модификатора [66].

Обработка чугунов магнием и церием вызывает увеличение поверхностного натяжения расплава на 50—60%.

Жидкотекучесть. Данные о влиянии магния на жидкотеку – честь чугуна разноречивы.

Влияние начальной температуры кокиля, температуры за­ливки, толщины и состава покрытия кокиля на жидкотекучесть чугуна с шаровидным графитом аналогично влиянию на жидко­текучесть чугуна с пластинчатым графитом. Количественная оценка влияния перечисленных факторов может быть осуществлена с помощью формулы (1).

Усадка. В табл. 25 приведены данные (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко) о свободной линейной усадке в кокилях образцов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Как видно, увеличение диаметра образцов, а также дополнительное модифи­цирование металла ферросилицием приводят к уменьшению усадки. Полученные результаты вполне закономерны и объясняются уве­личением степени графитизации с ростом толщины стенки отливки и с вводом графитизирующего модификатора. Сравнение данных табл. 21 и 25 показывает, что полная усадка чугуна с шаровидным графитом примерно равна усадке чугуна с пластинчатым графитом при аналогичных металлических основах (образцы диаметром 10 мм имели структуру белого, диаметром 30 мм — половинчатого и диаметром 50 мм — перлитного чугунов).

Многочисленными исследованиями установлено, что влияние химического состава и скорости охлаждения на рассматриваемое свойство не зависит от формы включений графита.

Особенность линейной усадки чугуна с шаровидным графитом заключается в 2—3 раза большей, чем у чугуна с пластинчатым графитом, величине предусадочного расширения, а также в бо­лее либо менее полной реализации последнего процесса после затвердевания (рис. 105). Вследствие этих особенностей чугун с шаровидным графитом имеет пониженную склонность к образо­ванию горячих трещин, но повышенную склонность к образова­нию усадочных в основном сосредоточенных раковин и пористости (рис. 106). Графики на рис. 106 показывают, что объем усадочных

Таблица 25

Свободная линейная усадка чугуна

Диаметр образца,

MM

Усадка, %, при модифицировании

Магнием

Магнием и ферроси­лицием

10

2,09

1,81

30

1,77

1,53

50

1,24

1,17

Рис. 106. Относительный объем усадочных раковин (%) в отливках:

1 — усадочные раковины и пористость; 2 — сосредоточенные усадочные раковины

Раковин зависит от углеродного эквивалента и достигает макси­мальной величины, если состав чугуна близок к эвтектическому. Опыт показывает также, что объем усадочной раковины увели­чивается при снижении Tзал. Влияние ширины интервала кри­сталлизации ВЧШГ на особенности усадочных процессов анало­гично рассмотренному ранее для серого чугуна (см. параграф 1 гл. XI).

Рис. 105. Изменение температуры отливки (/) и предусадочного расширения (2) чугуна (по Н. И. Клочневу)

Трещиноустойчивость. Как указывалось, чугун с шаровид­ным графитом имеет предусадочное расширение большее, чем серый чугун, и, следовательно, меньшую склонность к образованию горячих трещин. Благодаря этому в кокилях из чугуна с шаровид­ным графитом получают весьма сложные отливки, т. е. такие, фор­мирование которых протекает в условиях сильно затрудненной усадки. Сказанное подтверждается производственными приме­рами (см. рис. 66 и 72), а также результатами специальных исследований. При отливке образцов диаметром 10, 30 и 50 мм в кокилях, исключающих свободную усадку металла, было уста­новлено (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко), что трещины образуются в интервалах температур 1000—970, 970—700 и 800—700 К соот­ветственно. Следовательно, опасные с точки зрения образования трещин интервалы температур находятся ниже, чем принятые тем­пературы удаления отливок из кокиля. Можно подчеркнуть, что с повышением толщины стенки отливки опасность появления горя­чих трещин снижается.

Чугун с шаровидным графитом, однако, имеет повышенную в сравнении с серым чугуном склонность к образованию холодных трещин. Этот недостаток проявляется полнее всего при литье в кокиль, что связано с отбелом чугуна (особенно в тонких сече­ниях). Из других факторов, влияющих на образование холодных трещин, необходимо отметить относительно высокое значение модуля упругости и пониженную величину теплопроводности. Понятно, что эти факторы снижают трещи неустойчивость высо­копрочного чугуна.

Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями. Данные относительно поражаемосы газовыми включениями серого чугуна, изложенные в предыдущей главе, имеют прямое отноше­ние к литью чугуна с шаровидным графитом. Для отливок из чу­гуна с шаровидным графитом характерны также неметаллические включения, получившие название «черные пятна».

Первыми исследованиями зон отливок, пораженных черными пятнами, было обнаружено повышенное (в сравнении со средним) содержание магния (в несколько раз) и серы (в несколько десят­ков раз). Это послужило основанием для предположения, что черные пятна представляют собой в основном сульфиды магния (MgS), образующиеся при модифицировании. Такое предположе­ние подтверждалось уменьшением черных пятен по данным сер­ных отпечатков по мере снижения в чугуне содержания серы. Однако позднее, благодаря исследованиям Е. Б. Шицмана и др., было установлено, что черные пятна кроме MgS содержат MgO в виде окисных плен.

Включения сульфидов имеют более или менее компактную форму. Их образование завершается в процессе модифицирования и связано с наличием серы расплава. Обладая существенно мень­шей, чем чугун, плотностью включения, MgS легко всплывают в ковше. Поэтому радикальными мерами борьбы с сульфидными включениями являются снижение содержания серы в чугуне (до 0,01%) и перевод сульфидов в шлак с помощью флюсов (крио­лит, плавиковый шпат и др.) с последующим скачиванием шлака. В случае, когда сульфиды попадают в форму, они располагаются обычно в верхней по заливке части отливки. При ускоренном охла­ждении чугуна (например, в кокиле) соединения MgS могут быть рассредоточены по объему отливки. Они легко обнаруживаются по серным отпечаткам и характерному темно-серому цвету в из­ломе.

Включения окислов имеют форму тонких пленок. Эти включе­ния, действуя подобно надрезам, заметно снижают прочность, пла­стичность и герметичность чугуна. Окислы образуются на свобод­ной поверхности расплава, чем и объясняется их пленочный вид,

Рис. 107. Окисиые плеиы в изломе отливки из чу­гуна, модифицированного магнием

А также возникновение как в ковше, так и при движении металла в фор­ме. Пленки окислов при завихрении потока расплава разрываются и за­стревают в теле отливки. Их раз­меры могут быть от десятых долей до нескольких миллиметров (рис. 107). С окисными пленами могут взаимо­действовать включения сульфидов. В этом случае плены обнаружи­ваются по серным отпечаткам. Образование плен связано с по­вышенной окисляемостью магние­вого чугуна. Как показал Е. Б. Шиц-

Ман, склонность чугуна к образованию этих включений за­висит от температуры и содержания магния: чем больше маг­ния содержится в металле, тем выше температура пленообразо – вания. При нагреве выше этой температуры образование плен термодинамически невыгодно. Так, при содержании 0,035— 0,037% Mg окисные плены не обнаруживаются, если T3an свы­ше 1690—1720 К. Из изложенного следует, что борьба с окисными пленами заключается в предотвращении окисления расплава магниевого чугуна.

К специфичным дефектам отливок из чугуна с шаровидным графитом относятся также неметаллические включения в виде ликватов графита. Располагаются они, как и прочие неметалличе­ские включения, в верхних по заливке участках отливки. Иссле­дованиями, проведенными в НИИСЛе, установлено, что ликва­ция не наблюдается, если углеродный эквивалент не превышает 4,35% для отливок с приведенной толщиной стенки 20—25 мм и 4,5% для тонкостенных (~5 мм) отливок.

Особенности микроструктуры. Из данных гл. III следует, чем больше скорость затвердевания и охлаждения чугуна, моди­фицированного сфероидизирующими веществами, тем правильнее шаровидная форма и меньше размеры включений графита. Поэтому при литье в кокиль создаются весьма благоприятные условия для получения чугуна с шаровидным графитом.

Как известно, основные сфероидизаторы графита — магний и церий — при их использовании в количествах, обеспечивающих получение шаровидного графита, оказывают сильное отбеливаю­щее действие. Это обстоятельство в сочетании с ускоренным охла­ждением металла приводит к тому, что отливки из чугуна с шаро­видным графитом, полученные в кокилях, при толщине стенки до 15—20 мм имеют сквозной отбел. Следовательно, термическая обработка таких отливок, за исключением особых случаев, является обязательной.

2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА

Чугун с шаровидным графитом, применяемый для литья в ко­кили, имеет обычно следующий состав, %: 3,2—3,5 С; 2,8—3 Si; 0,6—0,9 Mn; до 0,12 Р; до 0,12 S (до модифицирования). Содержа­ние модификаторов в металле должно находиться в пределах: 0,03—0,08% Mg и 0,02—0,05% Ce. При большем содержании сфероидизаторов металл охрупчивается. Углерод следует поддер­живать на верхнем пределе, так как при этом, в отличие от серого чугуна, обеспечиваются высокие механические и, кроме того, улуч­шаются литейные свойства. На структуру отливок из чугуна с ша­ровидным графитом воздействуют обычно изменением количества кремния. Однако превышение концентрации кремния сверх 3% не рекомендуется вследствие появления хрупкости.

При литье в кокиль наибольшее практическое применение нашло модифицирование чугуна металлическим магнием в каме­рах-автоклавах. Основные положения этой технологии разрабо­таны в НИИСЛе и сводятся они к следующему [145]. Если содер­жание серы в исходном чугуне превышает 0,12%, то металл обра­батывают кальцинированной содой. Магний вводят в количестве 0,17—0,25% от массы чугуна в ковше. Модификатор представляет собой магниевый сплав в чушках марок MMl или ММ2 по ГОСТ 2581—78. Перед модифицированием в металл дают криолит (ГОСТ 10561—73) в количестве от 0,05 до 0,10%. Давление сжа­того воздуха в камере-автоклаве устанавливают перед вводом модификатора в зависимости от температуры:

Температура чугуна в ков­ше, К До 1630 1630—1650 1650—1670 1670—1690

Давление сжатого воздуха,

Кгс/см2, не менее…………………. 5,0 5,6 6,4 7,3

После ввода магния металл перемешивают мешалкой, погру­жаемой в ковш с частотой не менее 20—30 погружений в минуту. Продолжительность этой операции зависит от количества вводи­мого магния и массы чугуна в ковше. Так, при количестве моди­фикатора 0,1 % и массе чугуна 250 кг длительность перемешивания составляет 20 с; с увеличением массы чугуна до 1000 кг длитель­ность равна 35 с. При вводе 0,30% Mg указанные параметры соста­вляют 80 и 135 с соответственно. Графитизирующие модификаторы (например, ферросилиций) вводят в расплав вместе с магнием, либо после него.

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Литниковые системы. Специфику литейных свойств чугуна с шаровидным графитом учитывают при выборе литниковой си­стемы. Большинство отливок, получаемых литьем в кокили, имеют вертикальную плоскость разъема, что диктуется технологическими и экономическими соображениями (вертикальный разъем предопре­деляет использование конструктивно простых и удобных в обслу­живании кокильных машин). Подвод металла в форму с верти­кальным разъемом можно осуществлять сверху, сбоку и снизу. Возможные варианты подвода металла и конструкции литниковых систем показаны в виде схем на рис. 108. Для получения сложных отливок металл целесообразно подводить через прибыли и питаю­щие бобышки.

Большая склонность жидкого чугуна с шаровидным графитом к образованию тугоплавких неметаллических включений требует спокойного заполнения кокиля. При такой заливке резко умень­шается окисление поверхности металла и предотвращается попа­дание образовавшихся включений в отливку. Кроме того, литни­ковая система должна быть обязательно тормозящей для обеспе­чения подачи в нее защитного флюса и предохранения от попада­ния его в форму.

Рис. 108. Варианты подвода металла и конструкции литниковых систем: а, б, а — подвод сверху; г, д — подвод сбоку; е — подвод снизу

В) е)

Расчеты сечения питателей Fu при литье чугуна с шаровидным графитом можно выполнять по формуле (137). При этом необхо­димо учитывать, что коэффициент расхода {г для этого чугуна сечения питателей в первом случае соответственно больше, чем во втором. Для практических расчетов величины р, рекомендуется принимать по табл. 26.

Таблица 26

Значение коэффициента расхода

Внутренние полости

Подвод металла

Снизу

Сбоку

Сверху

Без песчаных стержней………………………

С песчаными стержнями……………………..

0,18—0,27 0,23—0,37

0,21—0,31 0,26—0,42

0,24—0,35 0,29—0,45

Меньшие значения р, в табл. 26 относятся к кокилям с затруд­ненным газоотводом.

При расчетах величины Fn для литья высокопрочного чугуна в кокили удобно также пользоваться номограммами, позволяю­щими определить продолжительность заливки (рис. 109) и пло­щади сечения питателей Fn (рис. 110) [157]. По первой номограмме продолжительность заливки находят, пользуясь последовательно шкалами Mi, 2Xi, у, Kv и t – Вспомогательная шкала у необхо­дима для перехода от прямой Mi 2Xi, пересекающей шкалу у, к прямой у Kv, пересекающейся со шкалой t в точке искомой величины (индексы «св» и «сн» соответствуют подводам металла сверху и снизу).

Номограмма на рис. 110 имеет три вспомогательные шкалы 7i, 72, 73, на которых последовательно определяют точки пересече­ния с прямыми соответственно:

T Я; 7i Mi; 72 -»- ц, после чего по точке пересечения прямой 73 г] со шкалой F находят искомую площадь сечения питателей. Коэффициент Kv принимают в зависимости от величины отношения yv = Mi/Vra6 (где Mi и Kra6 — масса и габаритный объем отливки);

Yv, кг/м^ 0—500 500—1000 1000— 1500— 2000— 2500— 3000—

1500 2000 2500 3000 ‘ 3500 Kv 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4

Коэффициент заполняемости т] определяют по зависимости

T1 = 0,036СЭ + 0,0028ГП + 0,0013Г2н,

Где C3 — углеродный эквивалент (C3= (С + 0,31Si)%); Tn — температура перегрева заливаемого металла, °С; Tzh — начальная температура кокиля, °С,

Для построения номограмм, представленных на рис. 109 и 110, использована зависимость (134) и известная эмпирическая формула для определения продолжительности заливки:

‘зал = fIlM"*,

Где W1 и п2 — коэффициенты, определяемые эксперименталь­ным путем.

Размеры остальных элементов литниковой системы назначают из условия ее постоянного заполнения и обеспечения шлакоотде – ления, для чего пользуются соотношениями

Wt 60

Рис. 109. НомограммаЮ. С. Jlep – иера и Е. Б. Шицмана для определения продолжительности заливки высокопрочного чугуна в кокиль. Продолжительность заливки сверху ^cb и снизу Z1ch определяется в последовательно­сти :

Mj-> 2 X^ у Ky -+ t. Линиями 1 — 11 показан пример определения для отливки массой M1 = 15 кг при следующих условиях: преобладающая толщина стенкн 2Xt = 10 мм, Ky = 1,0

TCB’0 tCh’0

^1Fn : Fct = 1,0 :1,1,

Рис. 110. Номограмма Ю. С. Лернера и Е. Б. Шицмана для определения площади се­чения питателей прн заливке высокопрочного чугуна. Площадь сечеиия питателей Fn определяется в последовательности:

T H -> V1 M^ ->72->ц->7з->Л-> Fn – Лнннямн I-IV показан пример опре­деления Fn для отлнвкн массой M1 = 30 кг прн следующих условиях: t= 10 с, на­пор H = 9 см, коэффициент расхода ц = 0,3, Г) = 1,4

А при наличии шлакоуловителя

Ј^:^:^=1,0:(1,2-1,4): 1,1,

Где Fct и Fiuji — площади поперечного сечения стояка и шлако­уловителя.

В заключение отметим, что T3ajl в кокиль чугуна с шаровид­ным графитом находится обычно в пределах 1570—1610 К.

Прибыли и питающие бобышки. Эти элементы рекомендуется выполнять в стержнях либо в песчаных чашах (см. рис. 108). Коэффициент тепловой аккумуляции песчаного состава, как пра­вило, на порядок меньше, чем материала кокиля, что обеспечи­вает сокращение размеров и повышение эффективности работы прибылей. Конструкция и место расположения прибылей и пи­тающих бобышек зависят от объема и конструкции теплового узла отливки. При этом в качестве исходного параметра берут диаметр окружности (Dy), вписанной в питаемый узел. Анализом питающих систем, применяемых при литье чугуна с шаровидным графитом в кокили, установлено, что выбор прибылей отливок целесообразно осуществлять, пользуясь следующими соотноше­ниями: диаметр прибылей (Dnp) для компактных узлов отливок типа втулок, поршней Dnp = 0,8Dy; для узлов типа брусков, ста­нин, кронштейнов ит. п. Dnp = Dy; для плоских отливок типа плит, заливаемых горизонтально, Dnp = l,2Dy. Высоту прибыли назначают из соотношения Hnp= 1,25Dnp. Диаметр перешейка, связывающего прибыль с питаемым узлом, должен быть d — (0,3-г – -0,5) Dnp.

Толщины стенок стержней, в которых выполняются питаю­щие элементы, не должны превышать 10—20 мм.

Приведенные рекомендации позволяют выбрать размеры пи­тающих отливку элементов в первом приближении. При желании уточнения выбранных величин следует обратиться к формулам гл. IV.

4. термическая обработка

Полученные в кокилях отливки из высокопрочного чугуна подлежат, как правило, термической обработке. Она необходима для ликвидации в отливках структурно-свободного цементита, получения необходимого соотношения перлита и феррита в ме­таллической матрице, снятия внутренних напряжений и дости­жения в конечном итоге заданных свойств чугуна.

1. Основы теории графитизирующей термической обработки. Если представить законы изменения радиуса аустенитного дво­рика [45] шаровидного включения г (t) и скорости роста числа центров кристаллизации п (t) в виде функций

Г = Kutb и n(t) = n0 + тxt + m2t2,

Где Ku, п-о, т2 — постоянные коэффициенты, то можно решить известное кинетическое уравнение А. Н. Колмогорова (23). Решение это имеет вид

^L=I – exp [-(K3+ Knt + Kmf + Kmf) t3bV (138)

* от

Здесь V — текущий графитизированный объем отливки; Vot — объем отливки;

K3 = -^-nN3Ki, Kn — 3(364J1[_!) по Ku,

К ^nmlKl_______________________ 8 Ttm2K3u__________

Дот’ 3(36 + 1)(36 + 2)’ дш* 3(36+ 1)(36 + 2)(36 + 3)’

N3 — число активных затравок (подложечных включений) в еди­нице объема. При выводе формулы (138) внутренний интеграл в вы­ражении (24) взят в пределах 0 — (t — f), так как начальная скорость роста зародыша не зависит от момента его появления.

Из теории кристаллизации известно, что при завершении про­цесса показатель экспоненты со в выражении (138) находится в пре­делах 4—5,36. Поэтому, приравняв показатель экспоненты этой величине, получим формулу для расчетов продолжительности графитизирующей термической обработки tK. Необходимые для практических расчетов значения коэффициентов. приведены

Таблица 27

Результаты обработки экспериментальных данных графитизации высокопрочных чугунов

S–

О. СЛ ф

Н t.

Я S

" S с ё

Я

К

S

S <j

*

О

О

"" S

T и о S — о

T

О

T

О

*

I

О

Ч щ О s О я

S °

О.

С* ^

Г

M S S

Го— :ѕ

С

S

S

2,61

1220

10

10

13,836

32,0832

— 11,3347

4,5307

—43,052

2,61

1170

36

15

10,938

42,0809

—9,2266

1,3053

—4,2402

2,61

1120

51

12,5

7,658

28,5410

—4,6709

0,5752

— 1,5392

2,11

1220

15

12,5

14,12

8,0811

7,4626

—3,4989

26,4924

2,11

1170

50

12,5

7,734

10,2329

1,4250

—0,3140

1,0399

2,11

1120

114

15

6,146

5,4645

0,4103

—0,0322

0,0420

1,78

1220

25

12,5

10,938

6,8780

5,0677

— 1,2412

4,5385

1,78

1170

78

10

4,954

0,9738

7,2885

—0,6601

1,0675

1,78

1120

245

10

2,795

36,6201

1,1448

—0,0512

0,0304

В табл. 27. Найдены они способом наименьших квадратов. При этом в качестве исходных данных принимались дилатометриче­ские кривые отжига тонких (2Xi — 0,006 м) отливок из обычных чугунов.

Анализ показал, что расчетные значения ближе всего к экспериментальным при b — 0,5, что и следует учитывать в рас­четах. Коэффициент Ku в табл. 27 определяли по формуле

К _ 4,375/ур

Л" ~ ,0,5 ‘ ‘к

Здесь ггр — радиус максимального в плоскости шлифа графитного включения. Текущее значение радиуса аустенитного дворика г (t) связано с радиусом графитного включения ггр равенством г (t) = 2,5ггр.

Выявление конкретных числовых значений – N3, а также «0, mi и tm, определяющих скорость возникновения центров кристал­лизации на мало активных подложках, свидетельствует о том, что графитизация осуществляется как на затравках, так и на новых центрах, возникающих по ходу процесса.

Технология термической обработки. Для обеспечения неко­торой гомогенизации структуры чугуна практически длительность высокотемпературного отжига в 1,5—2 раза превышает длитель­ность собственно процесса графитизации.

После высокотемпературного графитизирующего отжига, с це­лью получения высоких пластических свойств чугуна с шаровид­ным графитом, чаще всего проводят вторую стадию отжига, заклю­чающуюся в выдержке- тонкостенных отливок при 950—-1030 К в течение 1,5—2 ч с охлаждением на воздухе или в воде (последнее для быстрого прохождения интервала отпуской хрупкости). В результате двухстадийного отжига в структуре отливок содер­жится не менее 90% феррита. Достижение 100% феррита, как правило, требует значительного увеличения общего времени выдержки отливок, особенно при наличии в чугуне небольшого количества хрома. При этом пластические характеристики чугуна повышаются незначительно. •

Нормализацию кокильных отливок из чугуна с шаровидным графитом применяют для получения перлитной структуры металла. Такая структура обеспечивает высокую прочность и износостой­кость деталей. Часто нормализацию проводят путем ускоренного охлаждения отливок (на воздухе) непосредственно после высоко­температурного отжига.

Однако и при отсутствии отбела отливки также подвергают нормализации: нагревают до 1170—1220К и выдерживают при этой температуре от 1 до 3 ч в зависимости от температуры нагрева, структуры, химического состава чугуна и толщины стенок отли­вок, а затем охлаждают на воздухе. Опыт повторной нормализации показывает, что такая термообработка положительно влияет на прочностные, пластические свойства и усталостную прочность чугуна.

Практически для всех кокильных отливок из чугуна с шаро­видным графитом рекомендуется проводить отпуск для снятия внутренних напряжений. При отпуске выбирают температурные интервалы, в которых исключается возможность структурных превращений и одновременно обеспечивается максимальная ре­лаксация напряжений. Отпуск ведут при 820—920 К. Продолжи­тельность выдержки зависит от сложности конфигурации отливки и от необходимой степени снижения внутренних напряжений. Так, при 770 К за 1 ч выдержки напряжения в отливке средней сложности снижаются примерно на 50%, за 7 ч — на 75%, а за 15 ч — на 79%. При 870 К за 1 ч выдержки напряжения могут снизиться на 84% и за 7 ч — на 96%.

Описанные режимы термической обработки позволяют полу­чать в кокилях отливки из чугунов марок ВЧ 45—5, ВЧ 50—2, ВЧ 60—2 и ВЧ 70—3 (чугун последней марки достигается обычно при повторной нормализации).

Сочетание особо высоких механических свойств кокильных отливок из высокопрочного чугуна с высокой пластичностью достигается при изотермической закалке с температуры аустенит – ного либо аустенито-ферритного состояния. Нагрев перед закал­кой должен производиться до IlOOK (кремний повышает и расши­ряет область существования одновременно а – и у-фаз); выдержка отливок при этой температуре составляет 2,0—2,5 ч; охлаждение осуществляется в жидких средах при 600—620 К-

После изотермической закалки образуется троосто-ферритная металлическая основа и значения сгв повышаются до 90 кгс/мм2 при относительно низкой твердости (HB 229—277) и хорошей обрабатываемости. Наиболее высокие показатели прочности (до 125 кгс/мм2 при твердости HB 363—402) можно получить, про­водя изотермическую закалку тонкостенных отливок с темпера­туры 1170—1190 К в жидкой среде с температурой 570—590 К.

5. виды брака и способы его предупреждения

Для отливок из чугуна с шаровидным графитом, получаемых в кокилях с тонкослойным покрытием, характерны те же виды брака, что и для отливок из серого чугуна (см. параграф 6 гл. XI). В то же время ряд дефектов характерен только для отливок из высокопрочного чугуна. Прежде всего следует указать на черные пятна. Задача борьбы с черными пятнами в виде окисных плен относится к числу наиболее важных. Установлено [158], что такие включения, занимающие] 12,0—2,5% площади сечения образцов, снижают прочностные свойства чугуна на 20, а пластические — на 50%.

Описанный в параграфе 1 настоящей главы механизм возник­новения плен подсказывает необходимость защиты жидкого чу­гуна от окисления непосредственно в форме. Такая защита исклю­чительно эффективна и надежно осуществляется легко растворяю­щим окислы магния и другие неметаллические соединения крио­литом. Его рекомендуется вводить в форму в количестве 0,01— 0,05% от массы расплава.

Положительное действие криолита, кроме способности его растворять окислы, объясняется еще и тем, что он разлагается на фториды алюминия и натрия:

Na3AlF6 3NaF + AlF3.

Газообразный фторид алюминия вытесняет воздух из формы и уменьшает окислительный потенциал газовой среды. NaF из-за меньшей в термодинамическом отношении устойчивости по сравне­нию с солями магния приводит к обеднению поверхности чугуна магнием и этим уменьшает его склонность к окислению.

Что же касается неметаллических включений в виде графита, то меры борьбы с ними описаны в параграфе 1 настоящей главы.

ЛИТЬЕ КОВКОГО ЧУГУНА

1. особенности и возможности процесса

Белый чугун, являющийся исходным материалом для получе­ния ковкого чугуна, имеет худшие, по сравнению с серым чугуном, литейные свойства, более низкую жидкотекучесть, большую, при­мерно в 2 раза, линейную (см. табл. 21) и объемную усадку, по­вышенную склонность к образованию трещин. Это и определяет особенности и трудности литья ковкого чугуна в кокиль.

Своеобразие процесса получения ковкого чугуна обусловило преимущественное его использование для тонкостенных отливок сложной конфигурации, порой даже ажурных, незначительной массы. Большую часть таких конструкций относят к нетехнологич­ным для условий литья в кокиль. С увеличением скорости затверде­вания таких отливок, что неизбежно с применением кокилей, ста­новится более вероятным появление недоливов и трещин. Ковкий чугун заливают в форму при более высокой температуре, чем серый чугун, что вызывает дополнительные заботы литейщиков о стой­кости кокилей. Все сказанное относится к отрицательным факто­рам, затрудняющим применение кокилей для ковкого чугуна.

Литье в кокиль ковкого чугуна имеет и ряд достоинств. Как известно, непременным условием изготовления качествен­ных отливок из ковкого чугуна является отсутствие в его литой структуре свободного углерода. Этим, в основном, и обу­словлена необходимость низкого содержания в металле элемен – тов-графитизаторов (С и Si), а также небольшой толщины стенок отливок. Так как затвердевание отливки в кокиле идет значительно быстрее, чем в песчаной форме, при литье в кокиль менее вероятно появление графита в литой структуре чугуна, что позволяет изго­товлять из ковкого чугуна более массивные отливки и повышать содержание в металле суммы углерода и кремния [179]. Послед­нее благоприятно сказывается нетолько на литейных свойствах чугуна, но и позволяет применить специальные добавки, упро­щающие его графитизирующий отжиг и улучшающие механиче­ские свойства. Все это расширяет номенклатуру отливок, которые целесообразно изготовлять из ковкого чугуна. Измельчение струк­туры белого чугуна при литье в кокиль способствует сокращению продолжительности отжига и повышению свойств ковкого чугуна.

В допустимых случаях при литье в кокиль можно получить специальные отливки со структурой ковкого чугуна на поверх­ности и серого — в средней части (рис. 111). Технологический процесс производства таких отливок проще, чем из обычного ков­кого чугуна, и, в то же время, поверхностные слои деталей обла­дают повышенными плотностью, прочностью, износостойкостью. Подобные отливки можно использовать для ряда деталей машин,

К центру отливки

Рис. 111, Схема расположения структур чугуна в отожженных отливках, имевших отбел:

А — наружный слой (ковкий чугун); б—промежу­точный участок (серый чугун с феррито-графитной эвтектикой); fi — внутренняя область (серый чугун)

А также в качестве заготовок для коки­лей с литой рабочей поверхностью. Они имеют повышенную прочность при тер­мической усталости и в меньшей сте­пени, чем серые чугуны, подвержены разрушению из-за газовой коррозии и т. п.

Из приведенных в табл. 28 данных [70] видно, что при использовании чугуна [одного и того же состава ме­талл отливок, полученных в кокилях, имеет более высокие свойства, чем при литье в песчаные формы (отливки от­жигали по одинаковому режиму).

X

«

В г

Опыт некоторых зарубежных заво­дов [172, 185] показывает, что литье ковкого чугуна в кокиль может быть осуществлено с достаточно большой эффективностью. В Чехословакии, на­пример, отливают детали типа фланцев габаритных размеров 210×130 мм в водоохлаждаемых кокилях. При этом уже после 30 заливок экономически оправдываются затраты на кокиль, отходы снижаются с 46 до 15%. Замет­но сокращается цикл отжига вследствие повышения степени эвтектичности чу­гуна. Однако следует помнить, что

Cf S

Ч

Та H

Я

Я >>

=s s ж

Г

‘s

X

Л

<3

HB

X

О

X

И

«5.Ю tv —

I Литье

" 1 X

Ю о

СО ¦Ч’

Щ 3

HB

§5

CtJ Cr

8 3

S S

О.

M о

«г?

Со ст

QJ

Л

Eh

A

Ъ « =

О и с – X

О

Со со

СЛ

,17—0,20 ,17—0,20

О о

А

0,07 0,07

-0,83 -0,73

S

0,58- 0,42-

CO

OO СО

—<

СЛ

I I

Ст

И

Со ст

I I

О ю CT ч CT

Марка чугуна

КЧ 30-6 КЧ 33-8

Литье ковкого чугуна в кокиль экономически целесообразно только при – высоком уровне механизации процесса, так как в настоящее время отливки из ковкого чугуна изготовляют в обычных песчаных формах в цехах массового высокомеханизи­рованного производства с высокой технологической культурой (на автомобильных заводах, заводах сельхозмашиностроения и др.).

2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОТЛИВОК

Особенности свойств ковкого чугуна не всегда позволяют ис­пользовать кокили для получения отливок, предназначенных для литья в песчаные формы. Только в редких случаях такие отливки оказываются технологичными для нового процесса. Лишь для наи­более простых и массивных из них можно успешно применить кокили. Во всех других случаях при переходе с литья в песчаные формы на литье в кокили необходимо создавать более технологич­ные конструкции отливок, приспосабливая их к условиям литья в кокиль. При этом следует учитывать рекомендации параграфа 1 гл. VIII наряду с известными положениями создания техноло­гичных литых конструкций из ковкого чугуна для литья в песча­ную форму.

Прежде Всего задача заключается в создании податливой, не склонной к образованию трещин литой конструкции. Для этого между элементами отливки необходимо делать плавные переходы, устраивать в них упрочняющие ребра и избегать разностенность. Учитывая пониженную жидкотекучесть белого чугуна, для пре­дупреждения недоливов и неспаев в отливках следует избегать в конструкциях очень тонких элементов, особенно большой про­тяженности и с развитой поверхностью. Более того, утолщенные отливки для литья в кокили являются более приемлемыми, чем для литья в песчаные формы, так как в первом случае возникает меньшая опасность выделения свободного графита. При литье в кокиль более массивных отливок не только улучшается запол – няемость форм жидким металлом, но и увеличивается трещино­устойчивость отливок.

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Особенности устройства литниково-питающих систем для отли­вок из ковкого чугуна — короткие литниковые каналы и питаю­щие бобышки — объясняются повышенной (в сравнении с серым чугуном) усадкой и пониженной жидкотекучестью расплава. Их принципиальная схема при литье в кокиль такова же, как при литье в песчаные формы. Одинаковой остается и методика расчета элементов литниково-питающих систем. Однако особенности литья в кокиль позволяют, а иногда и требуют принятия новых рацио-

9 п/р А. И. Вейника нальных решений. Такие решения должны основываться на осо­бенностях формирования отливок в кокиле. Существо этих реше­ний в следующем: использование питателей с увеличенным попе­речным сечением; обеспечение направленного затвердевания путем тепловой изоляции питающих бобышек; уменьшение размеров бобышек вследствие повышения в чугуне содержания углерода и кремния; применение литниковых систем без элементов щлако – улавливания; исключение в особых случаях (при горизонтальном расположении отливок в кокиле и небольшой массе питаемых уз­лов) питающих бобышек и организация питания за счет утолщен­ного стояка.

Так как при литье в кокиль отпадает необходимость устройства шлакоуловителей, стояк в форме можно устанавливать непосред­ственно над бобышкой. Ввиду большой скорости кристаллизации металла в кокиле необходимо обеспечивать утепление питающей бобышки и питателей. С этой целью используют облицовку их ра­бочих полостей; особенно целесообразны многократно используе­мые облицовки.

С успехом применяют песчаные стержни-вставки, в которых выполняется литниковая система. При горизонтальном разъеме кокиля в песчаной вставке располагается вся литниковая система (рис. 112, а); вертикальный разъем позволяет ограничиваться стержнем, в котором размещается только бобышка и питатели (рис. 112,6). В последнем случае металл может быть подведен сверху или сбоку бобышки. Следует иметь в виду, что вертикальное расположение отливки в кокиле обусловливает необходимость обязательного устройства питающих бобышек.

Рис.113. Кокиль для пустотелой гайки из ковкого чугуна:

1 — кокиль; 2 — песчаный стер­жень; 3 — дождевые питатели

S)

Рис. 112. Литниково-пнтающие системы при гори­зонтальном (а)и вертикальном(б)разъемах кокиля: 1,2 — половинки кокиля; 3 — стержень-вставка; 4 — литейные полости

А)

В некоторых случаях целесообразно отступать от традицион­ной схемы литниковой системы для лучшего питания отливки. Так, например, в работе [70] опи­сан процесс литья пустотелой гайки в кокиль, в котором металл подво-

Режим отжига и управление структурой

Дился из прибыльной полости через дождевые питатели (рис. 113)’. Форма имеет вертикальный разъем.

4. РЕЖИМ ОТЖИГА И УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ

Термическая обработка отливок из белого чугуна для получе­ния ковкого чугуна состоит в графитизирующем отжиге. Литье в кокили не вносит принципиальных изменений в режим отжига, но позволяет внести некоторую рационализацию последнего. Так как при литье в кокиль создаются благоприятные условия для ускорения процесса графитизации, представляется воз­можность сократить продолжительность отжига и изменить его температуру.

В свете общих положений теории кристаллизации сплавов, изложенной в гл. III, и основ теории графитизирующего отжига чугуна, приведенной в гл. XII, ясно, что в металле кокильных отливок из ковкого чугуна наблюдаются более мелкие карбиды (рис. 114), а процесс графитизации ускоряется. Облегчению распада цементита способствует повышенное содержание в ме­талле кремния; с увеличением последнего уменьшаются размеры dmax и увеличивается количество п выделений углерода отжига (рис. 115). Однако необходимость получения в отливках структуры белого чугуна вынуждает при литье в песчаные формы использо­вать металл с уменьшенным количеством углерода (2,2—2,9%) и кремния (до 1,3%). Более того, в отливках со стенками толщи­ной свыше 15 мм почти невозможно получить сквозной отбел даже при очень низкой сумме углерода и кремния. При литье в кокиль отливок 1CO стенками толщиной до 15 мм содержание углерода может быть повышено до 3% и кремния до 4%.

259

MKM

Рис. 114. Влияние скорости охлаждения на величину карбидов т белого чугуна

О 5 10 15 20 25 30

И град/мин

Рис. 115. Зависимость размера ^max и коли­чества п графитных включений от отноше­ния С: Si при С = 2,4-1-2,6%

Ц

П 10 8 6

Кокильное литье, обеспечивая большую степень переохлажде­ния сплава при кристаллизации, позволяет без опасности образо­вания отсера в [отливках вводить в металл графитизирующие модификаторы, которые резко увеличивают метастабильность цементита и ускоряют процесс графитизации при отжиге.

В связи с этим расширяются возможности использования легирования и микролегирова­ния с целью управления струк­турой. Так, увеличенное коли­чество модификаторов, вво­димых в металл, позволяет использовать сурьму для устра­нения ферритной оторочки во­круг зерен графита [178]. Оказывается возможным уве­личить содержание хрома [186] и улучшить механические свой­ства ковкого чугуна. Влияние хрома наглядно видно из дан­ных, приведенных в табл. 29.

5. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Одной из причин, сдерживающих распространение литья ков­кого чугуна в кокиль, следует считать необходимость выдерживать ряд технологических параметров в весьма узких пределах. Изме­нение некоторых параметров (начальной температуры кокиля, химического состава чугуна, выдержки отливки в кокиле, харак­тера покрытия кокилей и др.), оказывая благоприятное влияние на предупреждение одного вида брака, создают одновременно усло­вия для появления другого вида брака. Например, повышение Т%а положительно сказывается на предупреждении трещин и недоли­вов в отливках, но способствует графитизации при затвердевании. Такое же влияние оказывает и усиление теплоизолирующего действия покрытия. Поэтому технолог должен хорошо представлять причины каждого вида брака, чтобы в конкретных условиях находить оптимальные решения.

При литье ковкого чугуна в кокиль наиболее распространен­ными видами брака отливок являются горячие и холодные трещины, несоответствие требованиям литой структуры, недоливы, неспаи, усадочные раковины и пористость.

Влияние хрома на механические свойства ковкого чугуна

Cr, %

(X, кгс/мм2

О

6, %

0,15 0,15—0,20 0,20—0,35

35—40 40—50 50—70

10—15 8—12 5—10

Трещины возникают, как правило, из-за стесненной усадки и неравномерного затвердевания разных узлов отливки. Чем боль­шая поверхность отливки формируется металлической частью кокиля, тем легче управлять структурообразованием белого чу­гуна. Наличие частей формы с разной теплоаккумулирующей спо­собностью сужает пределы химического состава металла, что соз­дает трудности производства. С этой точки зрения применение металлических стержней взамен песчаных весьма целесообразно, но оно связано с большей вероятностью образования трещин в отливках. Предупредить этот дефект можно окрашиванием

Рис. 116. Влияние температуры отливки на коэффициент f трения f при покрытии кокиля машинным маслом (/), ацетиленовой копотью(2) и смесью маршалита, жидкого стекла и воды (3)

TOC \o "1-3" \h \z стержней, своевременным извлечением их г^/Ли

Из отливки. ?/ \\

При литье ковкого чугуна не всегда ‘ \

Возможно предупредить трещины отливок \

Утолщением слоя краски, большое значение о, оь – *

имеет трение между отливкой и коки – wo wo ш 1Ш к лями. В работе [35] исследовалось влия­ние вида покрытия на коэффициент трения между отливкой и кокилем (металлическим стержнем). Доказано, что самый высокий коэффициент трения дает краска на маршалите, жидком стекле и воде (рис. 116, кривая 3). Чем более шероховато и прочнее по­крытие, тем лучше оно предупреждает трещины отливок, так как уменьшает концентрацию деформации в тепловых узлах (см. гл. IV.)

Уменьшению трещин способствуют подогрев кокиля, увели­чение выдержки в нем отливки. Так, например, в работе [70] указывается, что брак отливок по трещинам составлял 76% и лишь увеличение выдержки их в кокиле с 20—30 с до 10 мин позволило сократить брак до 10%. Уменьшается опасность образо­вания трещин также при увеличении степени эвтектичности чугуна.

Недоливы и неспаи обусловлены медленной заливкой и недо­статочным нагревом кокиля, низкой температурой заливки и не­благоприятным химическим составом чугуна. Для предупрежде­ния этого вида брака целесообразно прежде всего применять меры, которые не могут повлиять на увеличение других видов брака. Главная из них — очистка чугунов от вредных примесей, перегрев его и ускоренная заливка. Повышение степени эвтектичности чугуна может привести к улучшению жидкотекучести и предупре­ждению недоливов, но оно связано с опасностью графитизации чугуна во время кристаллизации, что обязательно следует учи­тывать. Эффективную меру предупреждения недоливов — повы­шение T2h — следует использовать, с учетом влияния ее на гра – фитизацию чугуна при кристаллизации.

Усадочные раковины и пористость целесообразнее предупре­ждать совершенствованием устройства литниково-питающей си­стемы, изменением теплового состояния отдельных частей кокиля (например, локальным охлаждением или обогревом) и в последнюю очередь — изменением химического состава металла.

Газовые раковины в отливках из ковкого чугуна имеют ту же природу, что и газовые раковины в отливках из серого чугуна, следовательно, и меры их предупреждения одинаковы: очистка кокилей, подбор качественных покрытий, хорошая просушка покрытий, вентиляция кокилей. Механизм образования газовых раковин при литье чугуна рассмотрен в гл. XI.

Постановка задачи

Заказы на сплавы поставляет жизнь. Иногда они имеют массовый характер, и счет идет на сотни и даже миллионы тонн. Таковы стали, чугуны, латуни, бронзы, некоторые алюминиевые сплавы и т. д. Однако часто требуются сравнительно небольшие количества материала, но с очень специфиче­скими свойствами. Из них выполняются небольшие детали в сложных устройствах, которые должны функционировать долгое время и порой без вме­шательства человека. Если крохотная «фитюлька» выходит из строя, весь прибор перестает работать, и далеко не всегда есть возможность его исправить. Требования к свойствам таких мини-деталей бывают самые разнообразные. И почти всегда это не одно тре­бование, а целый комплекс, и удовлетворить их одно­временно бывает очень и очень трудно.

Как вы думаете, из какого материала следует из­готовлять электрические контакты? Ясно, что они должны хорошо проводить ток, но, кроме того, жела­тельно обеспечить и нх эрозионную стойкость. Слово «эрозия», может быть, не всем знакомо, но смысл его прост: так называется разрушение поверхности дета­ли. Если материал недостаточно прочен, то в резуль­тате бесконечных размыканий и замыканий, при ко­торых поверхность подвергается электрическим и ме­ханическим воздействиям, контакты потеряют свою форму и выйдут из строя.

То же самое сочетание высоких прочностных свойств и проводимости требуется для сварочных элек­тродов, всевозможных проводников тока и т. д. И еще одна немаловажная тонкость: многие из этих деталей работают в условиях высоких температур и должны при этом сохранять оба своих «заказных» свойства. Вот теперь все требования ясны, и давайте вместе примемся за разработку сплава.

Очевидно, за его основу имеет смысл выбрать ме­талл, хорошо проводящий электрический ток. По это­му показателю рекордсмен — серебро, но не стоит за­бывать о его цене и дефицитности. Медь по проводи­мости несколько уступает серебру, зато намного де­шевле. Поэтому при выборе основы сплава остано­вимся на ее кандидатуре.

Однако прекрасно известно, что чистая медь мяг­ка. Если помните, этим ее качеством были недоволь­ны еще наши пращуры. Надо найти способ упрочнить медь, существенно не проиграв при этом в проводи­мости.

Путь, по которому развивалась цивилизация, — от меди к твердым растворам на ее основе — для нас совершенно неприемлем. За свою прочность твердые растворы расплачиваются высоким удельным сопро­тивлением, а в данном случае это слишком дорогая цена. Более перспективным кажется иной способ упрочнения [42])’ — введение в медную матрицу частиц другой фазы. При сравнительно небольшой объемной доле они мало повлияют на сопротивление, но свою «упрочняющую миссию» выполнят.

Пока мы знаем лишь один способ «выращивания» частиц второй фазы в теле металла — распад твердо­го раствора при старении. Известные на сегодня ста­реющие медные сплавы г(в основном разные типы бронз) вполне могут использоваться для наших целей при температурах не выше 400—500 °С. При более высоких температурах их прочность резко падает. Однако для ряда отраслей промышленности нужны сплавы, сохраняющие свои свойства до 1000—1050 0C, т. е. почти до температуры плавления меди. Поисками путей их изготовления мы сейчас и займемся.

Что такое внутреннее окисление

Вероятно, все представляют себе обыч­ное окисление металлов. На всякий случай напомним, что это химическая реакция, при которой поверхност­ные атомы металла соединяются с атомами кислоро­да. На старинных бронзовых или медных изделиях в результате такой реакции образуется патина — плен­ка оксида зеленоватого или коричневатого цвета. Ну, а самым известным случаем окисления, без сомнения, является горение вещества.

У известного процесса окисления (или, более точ­но, внешнего окисления) есть скромный «родствен­ник» — окисление внутреннее. На рис. 138 изображе­ны результаты обоих процессов.

Ol

V//

I

Внешнее окие/кние

Нне& OKdtyienne

Рис. 138

Различие между двумя рисунками выглядит до­вольно загадочно. В одном случае — явно вредный процесс образования окалины, по существу коррозия металла. В другом — формируется перспективная с точки зрения использования структура. В чем же раз­ница между двумя процессами?

Начнем о того, что подумаем, всегда ли окисляет­ся в кислородной атмосфере чистая медь? Вы, скорее всего, видели, как даже в сухую погоду гаснет костер у неумелого туриста. Если дрова беспорядочно свале­ны в кучу, доступ кислорода к горящему веществу Затруднен и реакция может прекратиться. Это не означает, что внутри плохо сложенного костра вообще нет кислорода. Конечно, он все время проникает туда через многочисленные^щели. Но его может оказаться Недостаточно.

Мы подходим к очень важному выводу! химиче­ская реакция — явление «пороговое». Для ее протека­ния необходимо создать и поддерживать некоторую минимальную, выше «порога», концентрацию реаги­рующих веществ. Иначе реакция не пойдет.

Подтвердим сказанное диаграммой медь — кисло­род (рис, 139)*

Кислород маЛОрастворим в твердой меди. Даже при предплавильных температурах предел его раство­римости не превосходит сотых долей процента. Но все же он отличен от нуля, а это очень важно! Если концентрация кислорода в меди окажется ниже пре­дела растворимости (а это и есть «порог» реакции окисления меди), то образуется просто твердый рас­твор кислорода в меди без всяких признаков оксида; Реакция окисления начнется, только если концен­трация кислорода в меди превысит предел раство­римости.

Достаточно очевидно (и мы не будем это доказы­вать), что концентрация кислорода в медном образце прямо связана с содержанием кислорода в окружаю­щей образец атмосфере. Чем оно выше, тем боль­ше кислорода проникает в медь. Это открывает возможность до некото­рой степени управлять процессами окисления. Можно настолько обед­нить газовую атмосферу кислородом, что медь окисляться не станет. Мо­лекулы кислорода при Stom будут время от времени садиться на поверхность образца, где будут расщепляться на атомы[43]). В ре­зультате на поверхности металла образуется твердый раствор с предельной для данного состава газовой атмосферы (но не большей, чем предел растворимо­сти) концентрацией кислорода Со-

Из узкой поверхностной области твердого раствора кислород начинает диффундировать в глубь образца* FTa его место извне приходят новые порции, так что концентрация на поверхности не меняется. Разные стадии диффузионного насыщения образца кислоро­дом показаны на рис. 140, где для простоты принято, что кислород проникает в образец только с одной сто­роны.

Cu-O

Си ^M

Рис. 139

Диффузионный процесс закончится образованием твердого раствора концентрацией Со во всём объеме образца, Из-за очень низкого содержания кислорода сопротивление твердого раствора практически не бу­дет отличаться от сопротивления чистой меди,

ТеперЬ допустим, что изначальный образец — не чистая медь, а твердый раствор в ней какого-то дру-< того элемента. Этот элемент может быть менее благо-» родным, чем недь, или, как говорят химики, имети> большее сродство к кислороду. Найти такие элементы не трудно. Их подавляющее большинство, ведь

Рис. 140

Медь — «особа», приближенная к благородным метал­лам, Тогда можно подобрать такой состав газовой

Рис. 141

Атмосферы, что медь не будет окисляться, а второй компонент твердого раствора будет% Это как раз и есть случай внутреннего окисления.

Возьмем в качестве примера раствор алюминия в медн. При его внутреннем окислении алюминий со­единяется с кислородом и выпадает из раствора в виде оксида Al2O3.

На фотографии (рис. 141), снятой через электрон­ный микроскоп, прекрасно видны оксидные частицы, вкрапленные в медную матрицу. Строго говоря, мат­рица не чисто медная! в ней содержатся и кислород (концентрации Со), и остаточный (не выведенный в оксид) алюминий. Однако из-за низкого «порога» ре­акции окисления алюминия его содержанием в меди можно безбоязненно пренебречь. По крайней мере, при рабочих температурах сопротивление этого твер­дого раствора почти такое же, как и чистой меди. За­то прочность сплава из-за присутствия оксидных ча­стиц станет намного выше. Причем оксид алюми­ния— вещество тугоплавкое и в меди почти не рас­творяется. А поэтому упрочняющий эффект сохраня­ется вплоть до температуры плавления металла.

Если вам понятна идея создания вну­тренне окисленных сплавов, то обратимся к частно­стям. Исходный образец — это разбавленный твердый раствор алюминия в меди. Доля алюминия, как пра­вило, не превышает 1 ат. %. В дальнейшем он прак­тически весь выпадает в виде оксидной фазы, и этого количества вполне достаточно, чтобы сделать деталь прочной.

Образец помещается в камеру, где поддерживает­ся специально подобранная концентрация кислорода, при которой окисляться может только алюминий. Ока­завшиеся на поверхности атомы кислорода по междо­узлиям кристаллической решетки диффундируют в сплав. У края образца появляется узкая область [(рис. 142,а), где в твердом растворе содержатся медь, алюминий и кислород (для удобства рассмотрения мы, как и прежде, считаем, что кислород проникает в образец только с одной стороны).

В области тройного раствора концентрация кисло­рода с какого-то момента (на самом деле почти сра­зу) превышает «пороговую» и начинается реакция окисления алюминия. При этом атомы кислорода и алюминия покидают кристаллическую решетку меди и «организуют» самостоятельную фазу — оксид Al2O3. Происходит это по известному нам механизму заро­ждения и диффузионного роста. По существу мы вновь встречаемся с распадом твердого раствора, только происходит он не при переохлаждении, как раньше, а при пересыщении одним из компонентов.

При выпадении оксидной фазы междоузлия осво­бождаются и в них извне поступают новые порции кислорода. А вот запас алюминия в твердом растворе

Q.

H

Т

T>Io

TTj

Я *

» *

‘ »*

9l

Л

Ф

\GrbЧ

5 Г

Б

Рис. 142

На краю образца вскоре истощится. Вся внешняя об­ласть окажется упрочненной оксидом. Через нее бу­дет свободно диффундировать кислород и реакция окисления алюминия «перекочует» в глубь образца (рис. 142,6).

Со временем зона реакции, как волна, пройдет че­рез весь образец. Для поддержания реакции с поверх­ности будет постоянно «подкачиваться» кислород. Все закончится, когда весь алюминий окажется переве­денным в оксид (рис. 142, в).

Таков общий замысел диффузионного сценария. Его хорошо проиллюстрировать последовательностью графиков содержания кислорода и алюминия в твер­дом растворе на разных стадиях процесса. Вот стар­товая картинка [(рис. 143,а).

А вот как все меняется во времени (рис. 143, б, в)\

А теперь самое время для вопросов.

Что такое

Так мы обозначили положение фронта реакции, т. е. того места, где в данный момент происходит окисление. За ним — внутренне окисленная зона с ок­сидными включениями, перед ним — «не тронутый» окислением твердый раствор. Положение фронта вид­но в световой микроскоп (рис. 144, а). Зоны до него и за ним отличаются химическим составом и по-разно­му травятся реактивами. Место «водораздела» — фрон­та внутреннего окисления — хорошо заметно. Создаю­щий гораздо более сильное увеличение электронный микроскоп позволяет увидеть микроструктуру фронта (рис. 144, б, в).

Почему на фронте внутреннего окисления концен­трации и кислорода, и алюминия обращаются в нуль?

To

¦0,01

Это — приближение. У реакции окисления алюми­ния имеется свой «порог». Поэтому более точно изо­бражать картинку по другому (рис. 145).

C1

•Л

Jx

А

*г>*1

H Си

I

1

Tx

T\J

C0

Со

% I X

Ji

Рис. ИЗ

Однако «пороговые» концентрации алюминия и кис­лорода очень низки. На несколько порядков меньше, чем даже малая величина С о,(например, концентра­ция алюминия во внутренне окисленной зоне при 900 0C составляет согласно расчету IO-9 ат, %), По­этому ими можно пренебречь и считать, что во вну­тренне окисленной зоне весь алюминий связан в ок­сид, а – в области твердого раствора Cu + Al, наобо­рот, совсем нет кислорода.

Почему на схеме алюминий «стоит» на месте, а диффундирует лишь кислород? Ведь у алюминия есть перепад концентраций и как будто он также должен двигаться к фронту реакции.

Так оно и есть. Более точная схема с учетом встречной диффузии алюминия приобретает несколь­ко иной вид (рис. 146).

•Однако диффузию алюминия также можно не при­нимать в расчет. Ведь алюминий, как и всякая при-

Рис. 144

Месь замещения, мигрирует по вакансионному меха­низму и его коэффициент диффузии намного ниже, чем у кислорода.

2- 10~"

Давайте сопоставим плотности диффузионных по­токов, воспользовавшись законом Фика:

Cn

/о – ?о-г

Величины коэффициентов диффузии известны. Для температуры 900 0C, при которой часто проводят вну­треннее окисление, они составляют DAi = 2-10-9 см2/с, ?>о — 7-Ю-6 см2/с. Величина С о при стандартных ус­ловиях равна 7-10~5 ат. %, a C0ai ~0,01. Поэтому вы­ражения для плотностей потока принимают вид

Отсюда видно, что, кроме самого конца процесса (при I^]/), диффузией алюминия можно безболезненно пренебречь.

Теперь, когда, сыграв в игру «вопросы и ответы», мы оправдались в нашей схеме, с ее помощью можно оценить зависимость |(0- Это очень важно, поскольку необходимо знать, сколько времени займет процесс внутреннего окисления детали. Сделаем расчет, как обычно, приблизительно.

Предположим вначале, что внутреннего окисления не происходит. Тогда, чтобы кислород проник на глу­бину потребуется время

TD = Z2IDo

При этом концентрация кислорода на глубине g ока­жется порядка Со и количество кислорода, попавшее в образец (на единицу площади поперечного сечения), будет равно по порядку величины Col-

Для продвижения фронта внутреннего окисления на ту же глубину кислорода потребуется больше. На окисление каждых двух атомов алюминия уходят три атома кислорода, и поэтому его общее необходимое количество составит (тоже на единицу площади попе­речного сечения)

Если подача кислорода в образец в среднем идет о одной и той же скоростью в обоих случаях, то время продвижения фронта окисления можно найти из соот­ношения

О

‘¦•о. _ cAl "2 ё

TD С0Ъ

Подставляя значение для tD, получим

T _il

<в-°- ~ D02 C0

Отсюда сразу следует зависимость

Л/Ш’

» uAI

Характерный радикал VDot лишний раз напоми­нает, что мы имеем дело с диффузионным процессом. Интересно, что хотя вывод был прикидочным, резуль­тат оказывается очень неплохим. Намного более слож­ная математика дает такой ответ:

V 2 С

3–^Ir VSW

Согласитесь, что отличие в 1,4 раза очень невелико там, где мы оперировали в основном порядками ве­личин.

Теперь можно судить о технологических возмож­ностях нашего процесса. Максимальная толщина де­тали, которую можно упрочнить внутренним окисле­нием при 900 0C в течение часа, равна

I = V2" V 2 э7 о^ 5 V 7 • Ю-6 • 3600 ~ Ю-2 см.

Этот ответ можно увеличить вдвое, так как обычно диффузия кислорода идет с двух сторон. Можно также проводить обработку не час, а несколько часов и т. д. К сожалению, от этого мало что меняется. Даже деталь весьма скромных размеров, около 1 см толщиной, упрочнить оксидами не удается, по край­ней мере впрямую. Однако имеется обходной путь.

Сегодня широко распространена порошковая ме­таллургия. Это удобный и экономичный способ изпь товлеиия деталей заданной формы. Суть технологии заключается в том, что изделие не вырезается из цельного куска металла, а компактируется прессова-т нием из мелкого металлического порошка. При этом оно сразу получается близким к требуемым форме и размерам. Порошковая заготовка после этого спека­ется при повышенных температурах, в результате чего из нее убираются оставшиеся после компактирования поры [44]).

Внутреннее окисление очень удобно комбинировать с порошковой металлургией. Ведь окислять можно и не готовое изделие, а порошок до компактирования. Размеры отдельных порошинок малы (диаметр по­рядка «IO-2 см) и они быстро упрочняются оксида­ми. А потом тугоплавкие оксиды, естественно, сохра­няются при последующих операциях и в итоге упроч­няют большое по своим габаритам изделие.

Барьерный бег дислокаций и мода на «миии»

В гл. 4 мы обещали вернуться к тому, как дислокации преодолевают попадающиеся им на пути частицы другой фазы. Пора сдержать слово.

Самая «откровенная» возможность для наткнув­шейся на частицу дислокации — перерезать эту части­цу (рис. 147).

Иногда все так и происхо – ¦——— 1

Дит. Но только не с частица – U – ф ми оксидов. Это исключитель­но твердые вещества. Оксид хрома — основной компонент Рис, 147

Пасты для полировки метал­лических шлифов. Оксиды железа входят в со­став магнитной ленты и именно они вызывают истирание магнитных головок. Возьмите даже обычное стекло — аморфный оксид кремния — и по­пытайтесь поцарапать его металлом. Вам это ие удастся. Наоборот, стекло оставит на металле цара­пины. Не случайно стекло режут алмазом!

Оксид алюминия не исключение. Он также очень тверд и перерезать его дислокации не под силу. Под действием внешних напряжений дислокация будет пытаться обойти оксидную частицу, оставаясь все время в мягкой медной матрице.

Механизм обхода дислокациями барьеров в виде частиц одним из первых предложил Орован. Лучше всего его иллюстрировать «видом сверху» (рис. 148).

Чтобы по рисунку сразу понять, что именно и как происходит в трехмерном кристалле, надо обладать неплохим пространственным воображением. Мы по­пытаемся комментариями несколько облегчить задачу,

Частицы

Оксида.

T^ • Т^С? (§>?

->- Ж <§)-*»

ДисуюкациИ

A 6 в т

Рис. 148

Подошедшая к частицам дислокация (рис. 148, а) под действием внешних напряжений изгибается и «пролезает» в пространство между частицами (рис. 148,6). Расширяясь в «забарьерное» простран­ство, дислокационные петли сближаются ‘(рис. 148, в) и в какой-то момент смыкаются ‘(рис. 148,г). При этом вокруг частицы формируется замкнутое дислока­ционное кольцо, а сама дислокация освобождается и идет дальше. Постарайтесь себе мысленно предста­вить эволюцию дислокации, не забывая, что изобра­женная на рис. 148 ее линия — всего-навсего край недостроенной атомной плоскости.

При приложении сдвигового напряжения т на дис­локацию действует сила, которая «гонит» ее через весь кристалл. Чем больше напряжение, тем больше и сила. Начнется пластическая деформация внутренне окисленного сплава или нет, зависит от того, окажет­ся ли эта сила достаточной, чтобы «протолкнуть» дислокацию между частицами оксида.

Объемная доля оксида определяется начальной концентрацией алюминия. Но вот распределен в мед­ной матрице он может быть по-разному. Может быть сравнительно мало крупных частиц оксида или срав­нительно много мелких. Как вы думаете, в каком слу­чае упрочнение будет более эффективным?

Заметим, что раз мелких частиц оказывается боль­ше, то меньше становится среднее расстояние между ними. Ну, а вопрос, в какую дверь проще войти, большую или маленькую, наверное, разноречий не вы­зовет. Конечно, в большую!

Поэтому для максимального упрочнения следует стремиться как можно к более мелким частицам. Тог­да дислокациям будет труднее «протиснуться» между ними. Этот результат в теории дислокаций доказы­вается строго.

В сплавах, упрочненных твердыми частицами типа оксидных, царствует вечная мода на «мини». Чем меньше средние размеры частицы, тем прочнее сплав. Чтобы обеспечить существующий спрос на «мини», «модельеры» (т. е. разработчики сплавов) воздей­ствуют на процессы зарождения. Идея проста: если удастся облегчить зародышеобразование, частиц ста­нет больше, а каждая из них соответственно меньше. Как раз то, к чему следует стремиться! Путь достиже-

Йия этой цели — уменьшение размеров критического зародыша.

Формула для радиуса критического зародыша ок­сидной фазы — прямое обобщение ранее выводившей­ся. Запишем ее «с ходу»: гс = —• и прокоммен­тируем обозначения: а — удельная межфазная энер­гия границы оксид—матрица: V0 — объем, приходя­щийся на одну молекулу Al2O3; AF — изменение сво­бодной энергии при объединении двух атомов алюми­ния и трех — кислорода, находившихся в твердом рас­творе, в молекулу Al2O3. Этот процесс идет с выигры­шем свободной энергии, так что ЛF < 0.

Меняя условия внутреннего окисления, проводя дополнительное легирование, можно воздействовать на любую из трех величин в последней формуле. Но легче всего поддается «дрессировке» межфазная энер­гия о.

Некоторые элементы известны тем, что понижают поверхностное натяжение (или энергию). Поэтому в растворах они всегда стремятся выйти на поверхность, чем и заслужили название поверхностно-активных ве­ществ. Мы сейчас не будем вдаваться в причины этого явления, но отметим, что признанным «автори­тетом» в этой области считается титан. Можно попы­таться ввести небольшое его количество в сплав и оценить с помощью электронного микроскопа, как изменится средний размер частиц оксида (ср. рис. 141 и 149, а).

Эксперименты показали, что при введении в сплав Cu — 0,5 % Al примерно 0,05 % титана средний раз­мер частиц уменьшается приблизительно в два раза — с 40 до 20 нм.

Добавление поверхностно-активного элемента — не единственный способ активизировать зародыщеобра – зование. В запасе еще один мощный ресурс — гетеро­генное зарождение.

Попытаемся проделать следующий трюк! введем в сплав небольшое количество компонента с большим, чем у алюминия, сродством к кислороду. Для опреде­ленности остановим выбор на гафнии. Тогда при диф­фузии кислорода в твердый раствор его «пороговая» для окисления гафния концентрация будет достигнута раньше, чем для реакции образования оксида алюми­ния. Оксиду алюминия еще только предстоит возник­нуть, а частицы HfO2 в этом месте уже есть! А дальше можно надеяться, что частицы предварительно выпав­шего HfO2 станут «затравками» для зарождения ча­стиц оксида алюминия.

ЖФ*

Рис. не

TOC \o "1-3" \h \z lb : – ‘ I – С 4

:тм т г

* % I ^

………………………………. W

# ^ ** Jr

* ^ !Щ

Рис. 150

Подчеркнем, что это лишь правдоподобные рассуй ждения. Верны они или нет, решает эксперимент.

Вначале мы сравним два электронно-микроскопи­ческих фото (рис. 149). Оба они сняты при одном уве-. личении. На рис. 149, а —оксиды в сплаве Cu — 0,5%

Al — 0,06 % Ti, на рис, 149, б — Cu — 0,5 % Al — 0,06% Ti —0,02 % Hf.

Эффект измельчения налицо!

Сфотографируем сплав, показанный на рис. 149,6, при большем увеличении (рис. 150).

Видите маленькие черные точки внутри сравни­тельно больших частиц Al2O3? Это частицы оксида гафния, который успешно сыграл предложенную ему роль «затравки». В результате легирования гафнием удается изменить средний размер частиц еще в два раза—примерно до 10 нм.

Подведем итоги. При внутреннем окислении четы – рехкомпонентного сплава Cu — 0,5 % Al—0,05 % Ti— 0,02 % Hf (исследования показали, что этот состав близок к оптимальному) получается сплав с проводи­мостью около 90 % проводимости чистой меди. Зато его прочность в несколько раз выше, чем у чистой меди, и этот уровень выдерживается вплоть до темпе­ратуры плавления металла «бунтующих тайн».

Этот оригинальный сплав (называется он по на­чальным буквам компонентов МАГТ) разработан в институте «Гипроцветметобработка», где он прошел все стадии развития от теоретических и эксперимен­тальных исследований до промышленного выпуска.

Порой они десятилетиями были отделены от до­стойной оценки или практического применения своих идей. Они жили в разных странах, были очень раз­ными по характерам, склонностям и масштабам сво­его таланта. Но делали общее дело. Оно не прекра­щается ни на минуту и продолжается в тот момент, когда вы читаете эту книгу. Чтобы что-то использо­вать, надо это что-то знать. Это несомненно. И потому пока будут цениться металлы и их сплавы, будут це­ниться и знания о них.

А теперь мы прощаемся с вами, дорогие читатели. Наш «Репортаж» подошел к концу.

[1] Зеленый цвет придает самородку покрывающая его ок­сидная пленка.

[2] Имеются в виду Сиракузы — главный город древней Си­цилии.

[3] Содержание компонентов определяли в весовых (массо­вых) процентах, т. е. по процентному отношению веса (массы) компонента в образце к общему весу (массе) образца.

[4] В принципе, еще можно накладывать на систему в со­суде внешние магнитное или электрическое поля, но эти случаи в дальнейшем рассматриваться не будут.

[5] Тем, кто хочет разобраться в этом вопросе более подроб­но, рекомендуем обратиться к книге: Смородинский Я. А. Тем­пература, — 2-е изд. — M.: Наука, 1987, — Библиотечка «Квант», вып. 12,

[6] Правда, существуют (и позднее нам встретятся) фазо­вые превращения без теплового эффекта. Но плавление и кри-: сталлизацня сопровождаются тепловым эффектом всегда.

[7] Термин «система А — В» в металловедении служит для обозначения всей совокупности сплавов, состоящих только из элементов А и В,

[8] Робертсу-Остену повезло, что объектами его опытов были свинец и золото. Эта пара металлов является одним из «рекордсменов» по темпам диффузии. В ииых случаях (другие металлические пары) при столь низкой температуре, как 200 0C, для диффузионной сварки не хватило бы и месячной выдержки.

[9] Здесь и далее мы всегда будем считать, что внешнее давление постоянно и равно атмосферному.

[10] Автор узнал об атом из книги: Сабицкий Е. Af., Кляч – ко В. С. Металлы космической эры. — M.: Металлургия, 1978;

[11] Аналогия придумана А. А. Варламовым.

[12] В дальнейшем мы чаще будем пользоваться нанометр рами: 1 нм = Ю-9 м = 10А,

[13] Напомним, что в электромагнитной волне колеблются напряженности и электрического, и магнитного полей. По своему действию они не эквивалентны. Например, почернение фотопла­стинки вызывается действием электрического поля. Поэтому в дальнейшем для определенности будем иметь в виду колебания именно электрического поля.

Mdi

Рис. 18

Тенсивности сродни тому, который имеет место в мультипликации, когда мы не можем зафиксировать отдельные картинки, а видим лишь плавные двплсе – ния. С той лишь разницей, что скорость «смены кад­ров» в природе неизмеримо выше созданной чело­веком.

Кстати, обратите внимание, что если бы усредня­лось само поле, а не его квадрат — интенсивность, то результат оказался бы равным нулю. Таким образом, волца. не оказывала бы никакого действия ни на глаз, ни на приборы.

[15] Читается «L много больше d»,

[16] Лукреций (полное имя Тит Лукреций Кар) — живший в I веке до нашей эры римский поэт и философ, стоял на по­зициях атомистики. Атомы представлял себе в виде мелких круглых объектов, _

[17] Аргументация де Бройля выходит за рамки данной книги,

[18] В каких случаях и почему атомы можно рассматривать как элементарные магнитики и чем обусловлено взаимодействие между ними, подробно объяснено в книге: Каганов М. И., Lltj – Керник В. М. Природа магнетизма, —Ж: Наука, 1982,— Биб­лиотечка «Квант», вып, 16,

[19] Тем, кто хочет разобраться в этом обстоятельнее, еще раз порекомендуем книгу: Смородинский Я¦ А. Температура. — 2-е изд. — M.: Наука, 1987. — Библиотечка «Квант», вып. 12.

[20] Если пренебречь малой величиной работы против сил внешнего давления.

[21] Поскольку расчет ведется на моль, вместо постоянной Больцмана к необходимо использовать газовую постоянную $

[22] То есть соединении постоянного состава

[23] Напомним, что рентгеновского анализа тогда еще не су­ществовало,

[24] Излагаемая далее аналогия придумана Д, А. Франк-Ка – мекецким»

[25] Из перевода с французского стихотворения О. Барбье «Бронза».

[26] О происхождении дислокаций и об их связи с механиче­скими свойствами металлов рассказано в книге: Займовский В. А., Колупаева Т. JJ. Необычные свойства обычных металлов.— M’.:’Наука, 1984. Библиотечка «Квант», вып. 32.

[27] Слово «промежуточная» обозначает фазы, существующие в двойной системе А — В, помимо твердых растворов А в В и В в А, т, е. между ними на фазовой диаграмме.

[28] Более подробно о диффузии мы расскажем в следующей главе,

[29] При построении линии растворимости очень удобно поль­зоваться рентгеновским методом, который легко обнаруживает появление второй фазы со своей кристаллической решеткой. Мерика, однако, применял обычный световой микроскоп, непо­средственно наблюдая на шлифе выделения второй фазы.

[30] Рассматривается самый простой случай, когда промежу­точные фазы отсутствуют и сплавы системы А—В в твердом состоянии состоят только из растворов.

[31] Нижняя часть диаграммы построена расчетным путем.

[32] УФН, 1986, том 149, вып. 1, с. 149.

[33] Впоследствии он прославился и получил Нобелевскую премию, как один из изобретателей транзистора.

[34] Это вполне понятно, так как скорость остывания заввд сит от теплоемкости, а она в точке фазового перехода II рода испытывает скачок.

[35] О диффузии обстоятельно рассказано в книге: Бок~ штейн Б. С. Атомы блуждают по кристаллу. — M.: Наука, 1984.—• Библиотечка «Квант», вып. 28. Во избежание повторений мы Ограничимся очень кратким изложением диффузионной темы.

[36] Более подробно о стандартных методах измерения коэф­фициента диффузии рассказано в уже упоминавшемся 28-м вы­пуске «Библиотечки «Квант».

[37] Об атомах, находящихся в позициях внедрения, мы по­говорим отдельно в конце параграфа.

[38] Обычно E измеряют в Дж/моль. Поэтому в формуле для коэффициента диффузии следует постоянную Больцмана K за­менить на газовую постоянную R,

[39] Концентрацию углерода в сплавах системы железо — уг­лерод традиционно принято приводить в массовых процентах.

[40] Фотографии рис. 129 получены не на стали, а на сплавах цветных металлов, в которых также может происходить мартен – ситное превращение (см. ниже).

[41] В реальных кристаллах для начала превращения необ-! ходимо достаточно сильное переохлаждение

[42] Еще одним широко известным способом упрочнения (о котором, правда, не заходила речь в этой книге) является наклеп — упрочнение, которое испытывает металл в результате специально проводимой пластической деформации.. Нам он, од­нако, не подходит, так как наклепанные материалы резко раз – упрочняются при нагревании в несколько сотен градусов.

[43] Двухатомные газы — водород, азот, кислород, оседая йа поверхности металла, обычно расщепляются на атомы. Это общее правило, в причины которого мы здесь вдаваться Йё будем.

[44] Подробно об этом процессе вы можете прочитать в кни­ге: Гегузин Я, Е, Почему и как исчезает пустота. — M.: Наука, 1976.

РОЖДЕНИЕ СПЛАВА

Поговорим в заключение о практической разработке сплавов.

В одном из стихотворений О. Э. Мандельштама есть такая строка: «…бунтующих тайн медь». Согла­ситесь, неожиданный образ для нашей старой знако­мой. В незапамятные времена медь попала на службу к человеку, и кажется, что все ее секреты должны

Быть давно вызнаны. Однако осмысленная реализа­ция фазовых превращений позволяет вдохнуть в ста­рый металл новую жизнь.

Новые грани закалки

До сих пор речь шла только о закалке твердого тела. А что, если закаливать жидкость? Идея кажется несколько странной, но у нее конкрет­ная цель: охладив металлический расплав достаточно быстро, предотвратить в нем кристаллизацию. А по­чему бы и нет? Кристаллизация — нормальное фазо­вое превращение, происходящее по механизму заро­ждения и диффузионного роста. Мартенситный путь превращения жидкости в кристалл закрыт «наглухо». Атомы жидкости расположены беспорядочно и согла­сованным образом, «чувствуя локоть партнера», пере­строиться в кристалл никак не могут. А раз так, предотвратить кристаллизацию вполне возможно. Главное — достаточно быстро охладить жидкость.

Но что значит «быстро охладить»? Для каждого вещества ответ свой. Для смеси воды и песка «быст­ро» означает доли градуса в секунду. С точки зрения человека, это скорее «медленно». Такая скорость охлаждения достигается при естественном остывании расплавленной массы. Этот процесс даже как-то не­ловко называть закалкой. Тем не менее поставленная цель достигается — кристаллизации не происходит, В результате получается материал, который всем хо-> рошо известен. Он называется стеклом.

На атомном уровне стекло похоже на жидкость. Порядка (дальнего!) в расположении атомов нет< Можно сказать, что это — загустевшая жидкость, вяз­кость которой столь велика, что стекло является твер­дым телом, ничем не хуже кристалла.

Чтобы получить стекло из металла (иное назва­ние— аморфный металл), требуются совсем другие скорости охлаждения. Здесь «быстро» — это действи­тельно быстро. Некоторое представление о скоростях кристаллизации чистых металлов можно получить на основании коэффициентов диффузии атомов в их рас­плавах.

Характерный порядок величины D в чистых жид­ких металлах при температурах, близких к темпера­туре плавления, равен Ю-5 см2/с. Предположим, что кристаллизация — процесс чисто диффузионный, т. е. чтобы перестроиться в кристалл, атомам жидкости надо просто «пропутешествовать» до будущих узлов кристаллической решетки. По порядку величины их путь равен межатомному расстоянию (около 0,1 нм в металлах) и необходимое для его совершения время оценивается по обычной диффузионной формуле

(0,1 нм)2 10"’S Cm2 -п

5™= Io-W/c=10 с-

Величина удручающе мала. Ведь чтобы не допу­стить кристаллизации, надо охладить жидкий металл от температуры плавления до примерно комнатной за время меньшее, чем IO^u с, т. е. скорость охлаждения должна составить (принимая, что температура плав­ления «г 10000C)

Уохл « 1000/10"" = Юн К/с.

В нашем расчете никак не учитывалось зародыше – образование. Оно, конечно, понижает скорость кри­сталлизации и, следовательно, необходимую мини­мальную скорость охлаждения. Но почувствовать мас­штабы времен н скоростей при закалке жидкости наши прикидки позволяют! Более строгие оценки по­казывают, что для аморфизации (так называется об – разованне стекла) чистые металлы достаточно охла-< ждать со скоростью IO10 — IO12 К/с. Но и это очень много!

Другое дело сплавы. Здесь имеются и так назы­ваемые случаи легкой аморфизации, которые требуют гораздо меньших скоростей охлаждения. Общее пра­вило таково: чем больше времени требуется на кри­сталлизацию сплава, тем его легче аморфизовать.

Существуют особые системы, в которых темпера­туры плавления сплавов некоторых составов могут быть намного ниже точек плавления чистых компо­нентов. Несколько характерных примеров приведены в табл. 6.

Таблица 6 Некоторые легко аморфизующився сплазы

Компонент А

Гпл – °С

Компонент В

Гпл – °С

Сплав *)

У-сплава 0Q пл ‘

Fe

1536

В

2077

Fe83B17

1177

Pd

1552

Si

1417

Pd80Si2O

~770

Hf

2227

Be

1287

Hf55Be45

~ 1100

Cu

1083

Zr

1852

Cu60Zr4O

885

*) Концентрации элементов в сплаве приведены в атомных процентах.

Подвижность атомов при понижении температуры, как мы знаем, заметно падает и, следовательно, спла­вы таких легкоплавких составов кристаллизуются медленнее чистых компонентов.

Для определения склонности к аморфизации очень важно также, каким, согласно фазовой диаграмме, должно быть равновесное состояние сплава. Поясним это на примере. Допустим, равновесное состояние сплава представляет собой твердый раствор. Тогда для кристаллизации атомы должны «преодолеть» путь, по порядку величины равный межатомному рас­стоянию (точно так же, как в чистом металле).

Но равновесным состоянием твердого сплава мо*. жет быть и смесь фаз разного химического состава. Для ее образования компоненты однородного жид­кого раствора должны существенно перераспределить­ся в объеме образца. Диффузионный путь в этом слу­чае окажется намного больше межатомного расстоя­ния, и это сильно «затягивает» кристаллизацию.

Существуют сплавы, в которых сочетаются оба благоприятных для легкой аморфизации фактора. Приведем несколько фрагментов фазовых диаграмм сплавов с повышенной склонностью к образованию стекла (рис. 135).

Области регкой

Яморфирации

Ж

Ж+PbSi

C5

Pd-Si

Fe T

Жт

VFe+Fe, B

Ж+F^B

Ж

T Ж+ftf

Fe-B

Ж+0и3Р

Рис. 135

Как видите, все они устроены по одному образцу.. Это очень удобно, так как позволяет прямо по фазо­вой диаграмме отыскивать сплавы, которые легко превратить в стекло. Стрелками на рис. 135 указаны составы легкой аморфизации. Именно для них ско­рость охлаждения, требуемая для образования стекла, минимальна: IO5— IO6 К/с. Но и это отнюдь не мало. Стандартные методы закалки (которыми пользова­лись, судя по «Одиссее», еще во времена Гомера) обеспечивают скорость охлаждения всего лишь IO2 — IO3 К/с. А нам нужно по крайней мере в 1000 раз больше…

Оставим на время металл и зададимся вопросом: как побыстрее охладить горячий чай? Проще всего налить его из чашки в блюдце. Тепло отдается в ос-.

Новном окружающему воздуху. Увеличивая поверх­ность соприкосновения с воздухом, мы увеличиваем скорость охлаждения. Чем более плоское блюдце мы выберем, тем быстрее остынет чай (конечно, при его неизменном объеме!). Наконец, можно просто вылить чай на стол. В результате растекания жидкости пло­щадь ее поверхности еще больше возрастает. Правда, для чаепития этот прием мы рекомендовать не станем, зато в быстром остывании можете не сомневаться.

Итак, первый вывод: для увеличения скорости охлаждения следует максимально увеличить площадь поверхности контакта с теплоотводящей средой, в дан­ном случае с воздухом.

Но воздух отводит тепло сравнительно медленно. Хорошими проводниками тепла по справедливости считаются металлы, а из них в первую очередь —• медь. В этом мы убеждаемся каждый раз, когда при­касаемся к металлическому покрытию, — оно всегда кажется холодным, так как быстро отводит тепло че-, ловеческого тела.

Отсюда следует еще одна рекомендация: чай сле­дует разливать не на столе, а на широком металли­ческом (желательно медном) подносе. Тогда он осты­нет почти сразу же.

На этом закончим нашу не слишком изысканную «чайную церемонию». Она подсказала конкретный ре­цепт. Для быстрейшего охлаждения жидкого металла надо создать очень тонкий его слой на медной поверх­ности (обычно ее называют подложкой).

Первые удачные опыты по сверхбыстрому охла­ждению металлической жидкости были произведены в 1960 году. Капля расплавленного металла выстрели­валась на подложку из меди (в ранних работах для этого применялась энергия пороховых газов обычного пистолета). При ударе о медный экран капля расплю­щивается, моментально охлаждается (скорость охла-. ждения достигает IO8— IO10 К/с), и с медного трамп­лина в воздух взмывает крохотная лепешка твердого аморфного метала. В самых тонких местах ее толщи­на оказывается равной 0,0001 мм.

Существует еще несколько разновидностей метода «расплющивания капли». Главный их недостаток — малая производительность. Да и аморфный металл получается в виде мелкого порошка, а это не всегда удобно для практического использования. Но приме­нение тех же принципов охлаждения позволило соз­дать способы производства непрерывной ленты из аморфного металла. Вот один из возможных вариан­тов (рис. 136). На вращающийся медный диск льется

Тонкая струя расплавленного металла. Соприкасаясь с дис­ком, она охлаждается, и с дис­ка сбрасывается уже застыв­шая аморфная лента.

Кстати, внешне аморфный металл ничем не отличается от кристаллического. Но из-за бес­порядочного расположения ато­мов стекло не является дифрак­ционной решеткой для излуче­ния, и на дифрактограмме отсутствуют резкие брэггов – ские пики (рис. 137). Облучая закаленные из жидко­сти образцы сплавов рентгеновскими лучами, электро­нами или нейтронами, можно определить, успешно ли прошла аморфизация.

2sjne Л

Кьистцгугический Аморфный Ji ‘ /и Erajyr Jx глетщ<

2sinB Л

Рис. 137

Образование стекла можно сравнить с известной игрой в «Замри», когда по команде одного из играю­щих его партнеры должны моментально застыть. По­за, в которой застала их команда, может быть крайне неудобной.

Рис. 136

Жидкий мета/Rp

ВморФнар /лета

Атомы в металлическом сплаве также находятся в крайне «неудобных» положениях, так как стекло из ме­талла — неравновесное состояние вещества. Его сво­бодная энергия выше, чем у кристаллической фазы (или смеси фаз) того же состава. Конечно, вещество было бы «радо» понизить свою свободную энергию, но сделать это невозможно. Мартенситный спосо§ пе­рехода нереален из-за неупорядоченности аморфной фазы, а диффузионный «запрещен» низкой температур рой. Остается ждать.

«Ждать» металлическое стекло может очень долго. Веками и тысячелетиями. И ничего с ним не произой­дет, … если только кто-нибудь его не подогреет. Тогда оно закристаллизуется. Закристаллизуется при нагре­вании!

Как правило, температура кристаллизации метал­лических стекол составляет несколько сотен градусов Цельсия. А ниже этих температур они вполне могут использоваться. Тем более, что их необычному атом­ному строению соответствуют столь же уникальные свойства…

Вы включаете магнитофон, но вместо приятной музыки раздаются нечленораздельные хрипы. В ма­стерской слышите стандартный диагноз: износ маг­нитной головки. От длительного контакта с лентой она истерлась и не обеспечивает качество воспроизве-

Дения. Наверное, многим эта ситуация знакома. Так вот, головки из металлического стекла по сопротив­ляемости износу заметно превосходят кристалличе­ские. Да и по чисто магнитным характеристикам первенство на их стороне. Уже сегодня во многих странах мира начат выпуск магнитных головок из ме­таллического стекла для видео – и звуковых магнито­фонов, магнитной памяти компьютеров.

Аморфный металл необычайно тверд и прочен. Это не удивительно. Ведь в разупорядоченной атомной структуре стекол нет места дислокациям. А то, что металл без дислокаций намного прочнее, известно еще со времен расчетов Я. И. Френкеля. Поэтому из аморфного металла получаются очень хорошие лез­вия и другие режущие кромки, которые редко нуж­даются в заточке. Казалось бы, столь полезные свой­ства, как прочность и твердость, могут найти приме­нение и в более широкой номенклатуре изделий. Но не будем забывать, что сегодня аморфный металл в основном выпускается в виде тонких лент, что серь­езно сужает диапазон его использования.

Совершенно необычна также высокая коррозион­ная стойкость стекол из металла. И это вполне объ­яснимо: коррозия часто развивается по дефектам кри­сталлического металла — границам зерен и дислока­циям. А они в стеклах отсутствуют. Для борьбы с кор­розией кажется очень перспективным покрывать по­верхность массивных изделий тонким аморфным слоем. Такая защита была бы намного эффективнее обычно используемых лакокрасочных покрытий. Однако тех­нология этих форм борьбы с коррозией только разра­батывается.

Очень странной может выглядеть температурная зависимость электросопротивления стекол. Вспомните, что рост сопротивления при нагревании — один из ос­новных признаков металла. Тем не менее в стеклах электросопротивление иногда остается «безучастным» к нагреванию, а иногда даже уменьшается.

Из многих лабораторий мира сообщают и о других уникальных свойствах аморфных металлов — повы­шенной каталитической активности, стойкости по от­ношению к облучению и т. д. Исследования в этих на­правлениях интенсивно продолжаются.

ГЛАВА 7

Превращения без диффузии

Выдающуюся роль в раскрытии загадок мартенсита сыграл советский ученый Георгий Вяче­славович Курдюмов. Начиная с 1927 года в длинной серии работ он выяснил особенности структуры мар – тснсита и механизма его возникновения. Это было до – етойным продолжением науки о сталях, основы кото­рой в России заложили П. П. Аносов и Д. К. Чернов. В 1953 году Г. В. Курдюмов был избран действитель­ным членом Академии наук СССР.

Академик Г. В. Курдюмов стал и основателем авторитетнейшей научной школы. При его непосред­ственном участии возникли Институт физики металлов и металловедения при Центральном научно-исследова­тельском институте черной металлургии и Институт физики твердого тела Академии наук СССР. Оба они сегодня находятся в авангарде советской и мировой науки о металлах и их сплавах.

Прежде чем вернуться к мартенситу, подчеркнем, что значительная часть излагаемого далее материала получена Г. В. Курдюмовым и его учениками.

Закалка, проведенная непосредственно под микро­скопом, показала, что кристаллы мартенсита выра­стают в аустенитной матрице с колоссальной ско­ростью, почти мгновенно. Сам процесс роста мартен – ситной иглы можно наблюдать лишь с помощью уско­ренной киносъемки (рис. 129) [40]).

Происходящее при довольно низких температурах моментальное образование мартенситной иглы явно не

Рис. 129

Походит на диффузионный процесс. Надо искать прин­ципиально новый механизм фазового превращения.

Вообразите себя в роли командира пехотного взво­да. Ваши подчиненные выстроены в одну шеренгу, а ваша задача — перестроить их в две. Командовать так командовать, и вы отдаете приказ: «В две шерен-

Ги становись!» А теперь давайте представим себе его последствия.

Если вы имеете дело с не прошедшими обучение новобранцами, выполнение приказа приведет к полной неразберихе. Ведь никто не знает, в какой шеренге и на каком именно месте он должен стоять. Кадры со­путствующей неорганизованным построениям суетп любят показывать в комедийных фильмах. Для уси­ления эффекта часто используют рапидную съемку: суета при этом переходит в мельтешение. Такая кар­тина вполне соответствует нормальному механизму об­разования новой фазы с присущими диффузии случай­ными блужданиями. В конце концов ваш необучен­ный взвод в две шеренги построится, но это займет немало времени.

Совсем по-другому перестроение произойдет в обу­ченном взводе. Если вы не забудете предварительно скомандовать рассчитаться на первый-второй, приказ будет выполнен быстро и организованно: вторые но­мера займут позиции за первыми.

В чем основная разница двух видов перестроений? Во втором случае перемещение происходит согласо­ванным, кооперативным образом. Каждый солдат точно знает, куда ему идти, и действует в согласии со своими соседями. В результате перестроение осу­ществляется намного быстрее.

Примерно таков же механизм образования мар­тенсита (он так и получил название мартенситного или бездиффузионного механизма). Он заключается в

Закономерном смещении атомов на небольшие рас­стояния. Как это может происходить, покажем на примере перехода плоской ромбической решетки в квадратную (рис. 130).

Граница между двумя фазами (вертикальная ли­ния) принадлежит одновременно обеим решеткам.

О

„ й о 0Ort

О о о

Рис. 130

Чуть-чуть подадим вверх ряд атомов ромбической ре­шетки, и граница сделает шаг вправо. Так же транс* формация одной решетки в другую может происхо­дить и в трехмерном случае, только тогда фазы со­прягаются не по линии, а по плоскости.

Введенный по аналогии с военными маневрами мартенснтный механизм для нас пока не более чем гипотеза. Гипотеза, призванная объяснить высокую скорость превращения и его независимость от диффу­зии. Ну, а можно ли проверить реальность мартенсит – ного механизма экспериментально? Конечно, просле­дить за мгновенными перемещениями индивидуаль­ных атомов невозможно. Однако имеются убедитель­ные косвенные доказательства.

При образовании мартенсита на гладкой (до пре­вращения) поверхности стального образца форми­руется характерный рельеф, прекрасно различимый при увеличении (рис. 131, a). Ha рис. 131,6 показаны те же неровности поверхностного рельефа, сфотогра­фированные с помощью специального метода интер­ференционной микроскопии. Принцип этого метода мы объяснять не будем, но фотография, думаем, ска­жет сама за себя.

Его происхождение отлично объясняется мартен – ситным механизмом превращения. Посмотрите еще раз на рис. 130. В результате закономерной пере­стройки атомов кристалл изменяет свою форму. По­этому в тех местах, где превращенный объем выходит на поверхность, должны образовываться «ступеньки» и «уступы» (рис. 132).

Интересно посмотреть, как исказится при закалке нанесенная иа поверхность аустенитного образца пря­мая царапина. Такие эксперименты ставились. В ме­сте выхода мартенситных кристаллов на поверхность

Рис. 131

Направление царапины меняется, но она так и остает­ся прямой (рис. 133)! Это еще одно свидетельство за­кономерного характе­ра перестройки атомов.

Поверхностный Пьеф

Кристаллы ‘мартенсита

Рис. 132

Но самый убеди» тельный аргумент в пользу мартенситной гипотезы был получен не на сталях. Оказа­лось, что во многих цветных сплавах (Cu— Al, Cu — Sn, Cu-Zn и других), при закал­ке также происходят

225

Превращения со всеми признаками мартенсит­ных. Например, уже известная нам fi-латунь с ОЦК решеткой в определенной области составов при быстром охлаждении превращается в ГЦК фазу. Й вот что важно; при закалке упорядоченной |3-латуни ГЦК сплав тоже образуется упорядоченным! Атомы – соседи до превращения остаются соседями и после него. Такое может происходить только при реализа­ции мартенситного механизма, когда отсутствуют

S А. С, Штебнберг

Рис. 134

Беспорядочные диффузионные перемещения атомов. Это красивое и убедительное доказательство гипотезы.

Необычному механизму мартенситных превраще­ний соответствует и своеобразная структура двухфаз­ных сплавов, которую трудно спутать с чем-либо дру­гим. Одну фотографию мы уже приводили (см. рис. 123), но этот параграф хочется закончить не­большой «галереей мартенситных образов», получаю­щихся на сталях разных составов при разных режи­мах их обработки (рис. 134).

Нормальные или мартенситные?

В перипетиях рассказа о мартенсите где – то на заднем плане затерялась свободная энергия. Но это тот маяк, который не должен гаснуть. Ни одно превращение не может произойти без указующего пер­ста свободной энергии. И мартенситное превращение—? отнюдь не исключение. Наоборот, оно лишь демон­стрирует «изобретательность» сплавов в постоянной борьбе за уменьшение свободной энергии. Резкая за­калка перекрывает шлюзы обычного распада аустени – та на феррит и цементит. Но находится иной ка­нал …

Представьте себе простой опыт: наполняется водой емкость, в которой на разных уровнях предусмотрены две выливные трубы. Нижняя — очень маленького диаметра, верхняя — большого.

При заливке воды слив через нижнее отверстие начнется, как только ее уровень достигнет высоты Если заливать воду медленно, то ее уровень так и оста* нется на этой отметке и вся она будет выливаться только через нижнюю трубу. Но если залить сразу много воды, ее уровень поднимется до высоты H к большая часть выльется из большой трубы просто в силу различия диаметров. Заметим, что в любом случае вода выливается потому, что при этом умень­шается ее потенциальная энергия.

Аналогия достаточно очевидна. Маленькая тру­ба — диффузионное превращение, большая — мартен­ситное. Высота уровня воды — температура: более высокий уровень — более низкая температура. Мед­ленная заливка — медленное охлаждение, быстрая — закалка. Роль свободной энергии играет потенциаль­ная энергия,

Мартенситный канал превращения может быть за­действован, только если удается охладить аустенит до достаточно низкой температуры (в «водной» анало­гии— поднять уровень до высоты Я). Как вы думае-. те, что это за температура? Точка равенства свобод­ных энергий аустенита и мартенсита![41])

Отсюда следует, что если образовавшийся мартен­сит нагреть выше точки равенства свободных энергий, он должен снова превратиться в аустенит. Так оно и оказалось. Правда, наиболее яркие эксперименты были проведены на цветных сплавах. Исчезновение мартенситных фаз происходило по мартенситному ме-. ханизму. На это указывало появление поверхностного рельефа. Но самое интересное, что при этом совпадал не только механизм обратного превращения, но и сам путь, по которому оно шло, конкретные атомные пере­стройки! Об этом несомненно свидетельствовал тот факт, что при обратном превращении возникает по­верхностный рельеф, негативный по отношению к рельефу, который возник на том же месте и был спо – лирован перед нагревом для обратного перехода.

Кристалл «помнит» прежнее (до превращения) распой ложение атомов!

Обратимся снова к сталям. На фазовой диаграмме железо — углерод мартенситной области нет. Значит, свободная энергия смеси феррита и цементита долж­на быть ниже свободной энергии мартенсита. И легко убедиться, что это действительно так. Нагрейте мар­тенсит, чтобы активизировать диффузию (но не «за­лезая» в аустенитную область диаграммы), и он рас­падается на феррит и цементит.

В сталях нормальное и мартенситное превращения конкурируют друг с другом: ведь у них разные конеч­ные продукты — смесь феррита и цементита в одном случае, мартенсит — в другом. Но иногда разные ме­ханизмы бывают и союзниками. Так происходит, на­пример при полиморфном превращении чистого желе­за у а – Если охладить у_железо медленно, пере­стройка атомов реализуется по нормальной схеме. Но если удается резким охлаждением «выключить» диф­фузию, то же самое превращение идет мартенситным путем с образованием поверхностного рельефа и игольчатых кристаллов а-фазы.

ПОБЕГ ИЗ ПЛЕНА ДИАГРАММ

Природа ж — ненадежный элемент.

Ее вовек оседло не поселишь.

Она всем телом алчет перемен

И вся цветет из дружной жажды зрелищ.

Б. JJ1 Пастернак

Стремление свободной энергии к мини­муму выражено в фазовых диаграммах — основном документе мира сплавов.

Но иногда сплавы «бунтуют». Настоящий побег из плена диаграмм происходит при закалке, когда стре­мительность процесса дарует рабам свободной энер-

Гии волю. Правда, весьма относительную. Совсем не считаться с грозной властительницей нельзя.

В этой главе мы расскажем о чудесах закалки. Но чтобы их лучше понять, придется разобраться и в обычном ходе фазовых превращений. Не в том, поче­му и что происходит при упорядочении, распаде или кристаллизации (это нам уже известно), а в том, как это происходит. С этого и начнем.

Правила движения для атомов

По своей «натуре» атомы — не домоседы, а путешественники. Лучше всего это заметно в газах, которые за счет теплового движения атомов быстро заполняют предоставленный в их распоряжение объем. Да и в жидкостях атомам явно не сидится на месте. В этом убеждают и опыты по броуновскому движе­нию, и само свойство текучести жидких тел.

А вот твердые тела — статья особая. Здесь таин­ство атомного движения хорошо законспирировано. Мы, правда, уже знаем, что в узлах кристаллической решетки атомы беспрестанно колеблются. Но вот спо­собны ли они на более серьезные вояжи, без специ­альных опытов не ответишь.

В нашей книге эти темы уже звучали. И этрусская техника гранулирования, и распад твердых растворов невозможны без перемещений атомов на достаточно далекие (по атомным масштабам, разумеется) рас­стояния. А впервые прямое подтверждение атомного движения в твердых телах получил в 1896 году Po – бертс-Остен, об опыте которого мы рассказывали в гл. 2.

Аналогичных опытов можно поставить сколько угодно: и с газами, и с жидкостями, и с твердыми телами. Все они позволяют убедиться в «путеше­ствиях» атомов по наблюдениям за диффузией — про­никновению одного вещества в другое [35]).

Иногда диффузию можно наблюдать невооружен­ным глазом. Например, следя за каплей чернил, рас­плывающейся в стакане с водой. Однако чаще для контроля за ее ходом приходится прибегать к специ­альному химическому анализу, который фиксирует изменение содержания одного вещества в другом в за­висимости от времени. Эти опыты очень важны, так как по темпу изменения концентрации можно узнать и скорость миграции атомов. В чистом веществе на­блюдать движение атомов гораздо труднее. Хотя и здесь имеется уникальная возможность — меченые атомы.

XixmttyNi Ni

Рис. 114

Атомы многих химических элементов существуют в нескольких разновидностях — изотопах. Друг от друга они отличаются только числом нейтронов в ядре. А заряд ядра, число электронов и, следователь­но, основные свойства у них одинаковы. Некоторые из изотопов радиоактивны. Их излучение регистри­руется детекторами типа фотопластинок или счетчи-

Ков Гейгера. Поэтому за по­ложением радиоактивных изотопов — меченых ато­мов — можно следить.

Поставим простой экспе­римент: нанесем на поверх­ность какого-нибудь метал­ла, скажем никеля, слой его радиоактивного изотопа (рис. 114). Со временем

Сигнал, улавливаемый детектором, станет ослабевать. Это лучше заметно, если никелевый «бутерброд» на­гревается. Объяснение очевидно: радиоактивный изо­топ уходит в толщу образца, который частично погло­щает излучение. До детектора доходит лишь часть первоначального сигнала. Такие эксперименты позво­ляют наблюдать движение атомов в окружении себе подобных, т. е. самодиффузию.

Опыты по диффузии и самодиффузии показывают, что атомы перемещаются во всех агрегатных состоя­ниях вещества. Но в газах — быстрее, в жидкостях — медленнее, а в твердых телах — совсем медленно. Кроме того, общей закономерностью является активи­зация диффузии при повышении температуры. И это естественно: ведь температура неразрывно связана с движением атомов.

Движущей силой диффузии, как и других процес­сов, служит понижение свободной энергии. Это осо­бенно очевидно в случае газов, которые можно счи­тать идеальными. Их энергия зависит только от тем­пературы и при изотермическом перемешивании не меняется. А энтропия, как мы знаем, к перемешива­нию атомов или молекул разных сортов весьма «не­равнодушна», так как при этом возрастает.

В твердых металлах перемешивание также приво­дит к повышению энтропии. Но оно может быть не выгодно энергетически. Такую ситуацию мы уже об­суждали при рассказе о распаде в твердых растворах. В этом случае перемешивание происходит ограничен­но и максимально достижимая концентрация одного

Au

Ni

Температура^

Твердый Твердый раствор раствор NisAu AueNi

Концен- Копией траЗия грация

Ni-C1 M-(Kz)

Рис. 115

Вещества в другом не превосходит предела раствори­мости. Рис. 115 иллюстрирует эту ситуацию на при­мере диффузионной пары золото — никель.

Первый и основной закон диффузии установлен в середине прошлого века швейцарским физиком А. Фи- ком. Часто его так и называют — закон Фика. Это простое, чисто эмпирическое правило.

Предположим, что концентрация диффундирующе­го вещества в точке Х\ равна Cb а в точке X2 — C2 и C2 > С\. Закон Фика утверждает, что диффузионный поток вещества направлен из точки X2 в точку Xi, а его величина пропорциональна крутизне концентра­ционного перепада, равного

Ci — Ci

X2 — Х\

Наглядность этого закона станет особенно очевидной, если вы представите себе скатывающегося с горы лыжника. Его скорость тем больше, чем круче склон. Это же утверждение составляет суть закона Фика, где роль перепада высот играет перепад концентраций.

Обычно миграцию вещества характеризуют плот­ностью его потока (обозначается /). Так называется количество вещества (выраженное, например, в мо­лях), проходящее через единичную площадь попереч­ного сечения за единицу времени. Зная плотность по­тока, ничего не стоит определить количество продиф – фундировавшего вещества (рис. 116).

_____________________ J Кспичествс вещества=

Bpe^M ® = jx ASxAt J

Математически закон Фика записывается в виде i D-

C2 — Cf

Рис. 116

X2 — Xi

Коэффициент пропорциональности D называется коэф­фициентом диффузии. Как следует из формулы, его размерность — [длина]2/[время]. Традиционно принято измерять коэффициент диффузии в см2/с.

Диффузионные эксперименты показывают, что за­кон Фика хорошо выполняется в большинстве газооб­разных, жидких и твердых веществ. При этом коэф­фициент диффузии D обычно находят сравнением из­меренного количества продиффундировавшего веще­ства с выражением Фика [36]).

Знание коэффициента диффузии позволяет решать многие важные задачи. Простейшая из них такова: в образец, состоящий из вещества А, через поверхность диффунди­рует элемент В (коэффициент диффузии D предполагается из­вестным). На какую глубину он проникает за время t (рис. 117)?

Задача придумана не нами, а взята из жизни. И опыт Po – бертса-Остена, и этрусская технология, и множе­ство современных производственных процессов свя­заны с ее решением.

Глубина проникновения зависит от времени и от единственного показателя скорости диффузии — коэф­фициента D. Никаких других физически значимых ве­личин в задаче нет. Но как найти правильный вид этой зависимости?

Мы поищем приближенный ответ из соображений размерности. Надо сконструировать такую комбина­цию Dnt, чтобы она имела размерность длины. От­вет довольно очевиден —

Сколько бы вы ни трудились, ничего другого не най­дете. Итак, получаем

Безразмерного числового коэффициента перед 4Ш соображения размерности дать, конечно, не могут. Но вот что интересно: безразмерные коэффи­циенты, как правило, оказываются порядка единицы! Вспомните известные вам физические формулы. В большинстве случаев никаких цифр в них нет во­обще. Иногда появляются числа типа я или е. Реже — «двойка» и совсем редко — другие числа порядка еди­ницы. Но попробуйте найти формулу, где бы в каче-> стве коэффициента фигурировало число порядка 10 или 0,1! Поэтому пожертвуем неизвестным коэффици­ентом и будем с точностью до порядка величины счи* тать, что

При этом следует, конечно, учитывать, что зависи­мость концентрации В в А от расстояния до поверх­ности плавная. Концентрация на поверхности, где Имеется контакт с чистым В, максимально возможная при данных условиях, т. е. равна пределу раствори­мости Со – Дальше она постепенно понижается до нуля. Это связано с тем, что за одно и то же время разные атомы успевают продиффундировать на раз­ную глубину. Величина

^Dt выражает среднюю глубину проникновения атомов.

Знание коэффициента диффузии очень важно, но оно ничего не говорит о том, как именно путеше­ствуют атомы. Собственно, в газах и жидкостях это большого секрета не представляет. Атомы там «сво­бодны» и в результате теплового движения просто перемещаются на новые места. А вот в более всего интересующих нас кристаллах ситуация не столь оче­видна. В них атомы «привязаны» каждый к своему узлу кристаллической решетки[37]), и не так просто догадаться, как они ухитряются менять свои «места жительства».

Может быть, атомы просто меняются менаду собой местами?

Однако в условиях плотной упаковки кристалла нм это сделать немногим проще, чем двум локомоти­вам разминуться на одном рельсовом пути. Если го­ворить более строго, то такое в принципе возможно. Но обмен атомов местами вызовет большие локаль­ные искажения кристалла и соответственно резко воз­растет энергия. Поэтому ответ такой: в принципе воз­можно, но маловероятно.

Более правдоподобной выглядит иная схема. Пред­положим, соседом атома оказалась вакансия. Тогда он может «перепрыгнуть» в вакантный узел. Для этого, правда, тоже придется раздвинуть соседей. Но отнюдь не так сильно, как при обмене атомов ме­стами.

Верные обещанию рассказать о диффузии по воз­можности кратко, мы не будем доказывать реальность вакансионного механизма. Но просим поверить на слово: существуют эксперименты, надежно демонстри­рующие, что, как правило, вакансионный механизм диффузии доминирует в кристаллах. Именно поэтому «открытые» нами с помощью свободной энергии ва­кансии играют столь важную роль в жизни кристалла.

Итак, время от времени атомы перепрыгивают в соседние вакантные узлы. Именно в соседние, так как трудно себе представить, что в плотноупакованном кристалле атомы играют в чехарду. В среднем атом за единицу времени делает v скачков. Каждый до бли­жайшего соседа — на расстояние /. В какую сторону? А вот это до последнего момента никому неизвестно. С какой стороны подойдет вакансия, туда и прыгнет атом. Про такую ситуацию говорят, что атомы слу­чайно блуждают по решетке.

Личиной D. Значит, между ними должна существовать

-S—>—»—->—>—>

S=Sn

Рис. 118

Связь. С точностью до безразмерного коэффициента найдем ее опять-таки из соображений размерности:

D ~ Z2V.

Чтобы лучше понять смысл последней формулы, выразим путь, проходимый атомом, через характери­стики случайных блужданий (рис. 118) :

S « д/Ш « / VvT;

Vt — это просто число совершенных атомом скачков: vt = п. Тогда получается, что

S = I VП.

Если бы блуждания не были случайными, зависи­мость была бы другой, а именно

S — In.

Вот как замедляется диффузия из-за случайности блужданий: Vw вместо л! Избавление от квадратно­го корня — награда целеустремленным!

Теперь попытаемся понять характер температурной зависимости коэффициента диффузии. Для этого вновь обратимся к формуле случайных блужданий. Длина прыжка I от температуры почти не зависит, а вот частота прыжков v зависит и очень сильно.

Частота прыжка пропорциональна его вероятности. Это понятно. Ну, а реализация прыжка возможна при одновременном выполнении двух условий. Во-первых, к атому должна подойти вакансия, вероятность чего пропорциональна концентрации вакансий Cv = = ехр(—EvIkT). А во-вторых, для прыжка необходи­мо слегка раздвинуть соседей, что сопряжено с увели­чением энергии AE. Вероятность такого процесса, как мы знаем, пропорциональна ехр(—AE/kT).

Окончательно, вероятность прыжка (а следова­тельно, и частота) пропорциональна произведению ве­роятностей обоих этих событий:

V ехр (- AE/kT) ехр (- EJkT) = ехр [—(Д? + Ev) /Щ.

Формулу для коэффициента диффузии тогда можно переписать в виде

D = D0 ехр [— (AE + Ev)/kT] = D0 ехр (— E/kT),

Где в Dо вошли все независящие или слабо зависящие от температуры множители.

Экспоненциальная зависимость — очень резкая. Покажем это на примере диффузии меди в золото, одного из процессов, использовавшихся этрусскими ювелирами. Измерения коэффициента диффузии при нескольких температурах позволяют определить неиз­вестные D0 и Е.

Вот Их значения: D0 = 5,8-Ю-4 см/с, E — = 115 кДж/моль [38]). Оценим теперь коэффициент диф­фузии при температуре плавления золота (Г= 1337 К) и комнатной температуре (Т = 300 К):

?»(1337) ~ 1,85- IO"8 см2/с, D(300) « 5,37 • 10~24 см7е-

Разница на 16 порядков! Чтобы еще лучше ее по­чувствовать, давайте по формуле случайных блужда­ний оценим время оседлой жизни атома т, т. е. время между двумя последовательными прыжками, которое атом проводит в одном узле кристаллической решетки. Легко понять, что если за секунду атом делает v прыжков, то

T= 1/v ^l2ID.

Расстояние между ближайшими соседями в решетке золота равно 0,289 нм. Теперь все необходимое есть, Оцениваем:

При температуре плавления атом совершает 22 миллиона прыжков в секунду, а при комнатной тем­пературе— один прыжок за 10 лет. Попросту говоря, сидит (а точнее, колеблется) на месте. Это типичные цифры (хотя бывают и исключения).

Теперь понятно, что делает закалка. Она в бук­вальном смысле слова останавливает атомы. Не успел перестроиться при высоких температурах — замри и жди следующего нагрева.

И в заключение, чтобы не возвращаться больше к диффузии, два слова про миграцию атомов внедрения. Они в вакансиях для перемещений не нуждаются — «гуляют» (а точнее, прыгают) непосредственно по ме­ждоузлиям. Но при прыжке атомы решетки раздви­гаются и это сопровождается увеличением энергии. Поэтому температурная зависимость коэффициента диффузии все равно остается экспоненциальной. Но само его значение, как правило, намного выше (не требуется вакансий)! Примеси внедрения перемеща­ются по кристаллу намного быстрее.

Муки зарождения

Вначале выпишем «правила движения»

Для атомов:

1. Атомы в веществе способны совершать далекие (по атомным масштабам) путешеств-мя.

2. Количественно их подвижность характеризуется коэффициентом диффузии (или самодиффузии) D.

3. Среднее смещение атома за время t порядка л/Dl.

4. При нагревании коэффициент диффузии возра­стает (особенно резко в твердом теле).

Хватит ли этих знаний для предсказания скорости фазовых превращений?

Попытаемся для разминки составить прогноз пре­вращения чистого водяного пара в воду при атмосфер­ном давлении. Известно, что при 100 cC свободные

Энергии пара и воды сравни­ваются (рис. 119). Поэтому для конденсации необходимо понизить температуру ниже этого значении. Или, как гово – ! рят, переохладить пар.

———- 1——— С другой стороны, молеку-

100С T лы перемещаются быстрее при Рис. 119 более высоких температурах,

И кажется, что скорость кон­денсации должна быть максимальной при температу­рах чуть ниже IOO0C. Давайте прикинем время обра­зования видимой глазом капли при, скажем, 99°С.

Жидкость отличается от пара главным образом большей плотностью. Поэтому образование капли тре­бует группировки молекул пара в одном месте.

Будем для простоты считать пар идеальным газом, а характерный диаметр видимой глазом капли примем ва 1 мм. Ее масса тогда составит

Иг = р; i, o ‘ 4/з ^ = 0,52 • 10 3 г.

В паре молекулы капли занимают объем, рассчиты­ваемый по уравнению Менделеева — Клапейрона:

V_ MRT „», . А-б з

У. р

Линейный размер такого объема легко оценить:

I ~ У1/3 ~ 0,9 см.

И, следовательно, требуемое на группировку молекул бремя

Коэффициент самодиффузии пара по порядку величи­ны составляет Ю-1 см2/с. Поэтому

Т » (9 ¦ I(T1)VlO-1 «8 с.

По нашим земным меркам это быстро. Но если по­ставить опыт по превращению чистого пара в воду при 99 cC, для его успешного окончания может не хватить и жизни. Пар так и останется паром.

Хочется «обвинить» в ошибке расчеты. Они, конеч­но, очень грубы. Но дело не в них, а в исходных пред­посылках. Это легко показать экспериментально. Та же конденсация, «не желающая» идти при 99 cC, лег­ко и быстро пойдет при, допустим, 70 °С. Атомы дви­жутся медленнее, а превращение происходит быстрее. Что-то в нашей «теории» не учтено.

Мы считали, что скорость превращения опреде­ляется временем, которое молекулы тратят на то, что­бы добраться до места образования капли. А там их уже ждут «с распростертыми объятиями», и они сразу же вливаются в каплю. Но так ли это на самом деле?

Как всегда, отправным пунктом должно стать со­ставление баланса свободной энергии. Пусть в расче­те на одну молекулу свободная энергия пара при тем­пературе T (подчеркнем, что T < IOOcC) составляет Fn(T), а жидкости — Fx(T). Тогда при образовании в паре сферической капли радиусом г свободная энер­гия изменится на величину

AF~ = [Z7ik (T) — Fn (71)] X число молекул в капле =

= – Fn(T)]-V3^3IvmKO,

Где уж — объем, приходящийся на одну молекулу жидкости.

Так как Fx(T) < Fn(T) (см. рис. 119), то образо­вание капли связано с желанным понижением свобод­ной энергии и никаких препятствий на пути такого процесса не видно. Но радоваться рано! Кое-что мы упустили из виду.

Образование капель сопряжено с появлением ра­нее не существовавших поверхностей раздела новой и старой фаз — воды и пара. Но всегда, когда имеется граница раздела фаз (пар — жидкость, твердое те­ло—жидкость, твердое тело I — твердое тело II й т. д.), атомы узкого поверхностного слоя отличают­ся по своему «статусу» от атомов в толще фазы. Они «уже «устроены», так как по ту сторону границы ли« шены подходящего для себя соседства. Поэтому при составлении баланса свободной энергии обязательно надо учесть это обстоятельство и добавить слагаемое, пропорциональное поверхности образовавшихся меж­фазовых границ:

Д^+ = оS = 4яг2о > 0.

Коэффициент о называется межфазной (или поверх­ностной) энергией и его величина зависит от строения границы и того, какие фазы соседствуют. Например, в случае границы вода — воздух о является привыч­ным нам коэффициентом поверхностного натяжения воды.

Общее изменение свободной энергии определяется суммой ДF~ и AF+:

Первое слагаемое положительно, второе отрицатель­но. Но радиус капли г входит в них в разной степени.

При малых г доминирует по-

AF

Ложительный квадратичный член, при больших — отрица­тельный кубический. В резуль­тате на графике зависимости I ^ AF(r) (рис. 120) появляется

Максимум. Его абсцисса назы-

С г вается критическим радиусом

Рис. 120 и обозначается гс (от слова

Critical).

Теперь картина образования капли становится бо­лее понятной. Находящиеся в беспрестанном движе­нии молекулы пара по воле случая «встречаются». В результате таких встреч из нескольких молекул мо­жет сформироваться компактная группа — зародыш жидкой фазы (раньше мы его несколько возвеличива­ли, преждевременно называя каплей). Он может ра­сти, если к нему будут присоединяться новые молеку­лы. Но если, наоборот, молекулы будут покидать за­родыш, он в буквальном смысле слова станет испа­ряться. Судьбу зародыша решит то, какой из двух процессов пойдет быстрее.

Если радиус зародыша меньше критического, бо­лее вероятен уход из него молекул. Ведь в отличие от своего «оппонента» он сопровождается понижением свободной энергии. Поэтому скорее всего зародыш ис­чезнет, не оставив следа. Но в результате благоприят­ного стечения обстоятельств малая часть зародышей может вырасти и «перевалить» за критический раз­мер. И тут все меняется, как по мановению волшеб­ной палочки. Уже рост зародышей становится выгод­ным, и, скорее всего (снова вероятностная оценка!) «закритические» зародыши станут каплями.

Из полученной формулы для свободной энергии легко определяется критический радиус. Это просто точка максимума функции AF(г). Поэтому достаточно воспользоваться дифференцированием:

Rf AF (г) _ п _ 2<гож

Dr Fn(T)-Fx(T)’

Часто формулы красноречивее слов. Вглядитесь внимательно в последнюю! она содержит в себе вол­нующий роман о муках зарождения.

В знаменателе стоит величина Fn(T)- FK(T)\ В точке равновесия жидкости и пара она обращается в нуль, а критический радиус становится равным бес­конечности. При переохлаждении разность Fn(T)-; – Fx(T) увеличивается, и критический радиус умень­шается. И тем самым повышается вероятность появ­ления «критического» зародыша. Ведь, например, 10 молекулам проще сгруппироваться в зародыш, чем 1000, точно так же, как 10 монетам «проще», чем 1000, выпасть всем на «орла».

Вот это обстоятельство мы раньше и не учитыва­ли. При 99 0C переохлаждение слишком мало и слиш­ком велик радиус критического зародыша. Его обра­зования приходится ждать очень долго.

Тут стоит обратить внимание на одну тонкость. Образование зародышей, как мы видели, на ранних этапах сопровождается повышением свободной энер­гии. Но до сих пор утверждалось, что такие процессы практически невероятны. Нет ли здесь противоречия?

Если в процессе принимает участие колоссальное количество частиц — порядка Постоянной Авогадро, то законы больших чисел делают отступления от ве­роятностного сценария невозможными. Совсем другое дело, когда речь идет о сравнительно небольшом чис^ ле частиц.

Посудите сами: не будет ведь ничего необычного, если при бросании 100 монет на «орла» выпадут 51? А между тем это отклонение составит 2 % предска­зания по максимуму вероятности. Как мы знаем, при подбрасывании IO23 монет такие отклонения были бы совершенно нереальны.

Точно так же и в случае с образованием зароды­шей: спасает их малость. «Против вероятности» дей­ствуют не IO23 частиц, а всего лишь десятки, сотни или тысячи.

Только теперь мржно прогнозировать зависимость скорости конденсацин от температуры (рис. 121). При

Высоких температурах (малом переохлаждении) ато­мы движутся быстро и образования новой фазы не пришлось бы долго ждать, когда бы не был столь большим критический радиус. При низких температу­рах, наоборот, зарождение проходит сравнительно легко, но вот беда — атомы движутся медленно. По­этому максимальная скорость превращения достигает­ся при каких-то промежуточных температурах, своих для каждого вещества.

Схема возникновения новой фазы, состоящая из двух стадий — зарождения и диффузионного роста, часто называется нормальной. По этой схеме проис­ходит не только конденсация, но и почти все (почему *почти», станет ясно из дальнейшего) другие извест­ные нам превращения — кристаллизация, распад твер­дых растворов, упорядочение и т. д. Конечно, в каж­дом случае есть свои отличительные черты, но общий механизм превращения один и тот же; сначала в теле старой фазы должны появиться зародыши новой (или новых) фазы, а затем вырасти за счет диффузии. И «клавиши» у всех превращений одни и те же: раз­ность свободных энергий фаз, межфазная поверхност­ная энергия и коэффициенты диффузии компонентов.

В целом нормальные превращения можно сравнить с образованием очередей у лотков на оживленной площади. Суетящиеся люди время от времени подхо­дят к лоткам, разглядывают товары. Одним надое­дает стоять в очереди и они уходят, другие, наоборот, пристраиваются. Дефицитность товара можно срав­нить с переохлаждением. Если товар не слишком при­влекает покупателей (мало «переохлаждение»), на­стоящей очереди так и не образуется. Эти сравнения можно продолжить. Аналогия, может быть, не вполне точная, зато она наглядно передает «неорганизован­ность» нормальных фазовых превращений.

Теперь представьте себе, что один из лоточников на нашей рыночной площади активно рекламирует свой товар. Нет сомнений в реакции покупателей: у лотка с рекламой образуется большая очередь, даже если товар не столь хорош. Ну, а что может сыграть ту же стимулирующую роль при фазовых превраще­ниях?

Вы, может быть, заметили, что когда мы пытались составить прогноз скорости превращения пара в воду,

Неоднократно подчеркивалось, что речь идет о чистом паре. Это очень важно. Допустим, что в паре имеются посторонние включения — хотя бы мелкие пылинки. Тогда, если капля образуется на пылинке, уничтожа­ется часть поверхности контакта пылинка — пар. Но­вая поверхность возникает не на ровном месте, а, по крайней мере частично, за счет ранее существовавшей поверхности. Кроме того, и поверхностная энергия границы жидкость — пылинка вполне может оказать­ся ниже, чем границы жидкость — пар. Оба этих об­стоятельства приводят к тому, что капелькам энерге­тически выгодно зарождаться именно на пылинках, и зарождение, вызванное возрастанием поверхностной энергии, становится уже не столь мучительным. Заро­ждение, происходящее на посторонних частицах, на­зывается гетерогенным (в отличие от ранее рассмо­тренного гомогенного).

Возможность гетерогенного зарождения заметно активизирует фазовые превращения. Это неоднократ­но подтверждалось экспериментами. В частности, чем грязнее пар, тем быстрее при переохлаждении он пре­вратится в воду.

Роль посторонних частиц вполне могут сыграть и стенки сосуда, в котором происходит фазовое превра­щение. Возможно, вы это сами наблюдали, следя за образованием пузырьков пара при кипении воды.

Гетерогенное зарождение обычно и при фазовых превращениях в твердых телах. Границы зерен, меж­фазные границы, поверхность, дислокации — образова­ния по сравнению с идеальным кристаллом энергети­чески невыгодные. Следовательно, очень вероятно, что они станут местами предпочтительного образования зародышей.

Знание механизма превращений позволяет управ­лять многими процессами. Например, выращиванием монокристаллов. В обычном состоянии твердые ме­таллы и сплавы — поликристаллы. И понятно почему? при охлаждении расплава зародыши кристаллов по­чти одновременно возникают в разных местах. Их ориентировка между собой никак не согласована, и она сохраняется при диффузионном росте. В резуль­тате образуется характерная зернистая структура.

Для научных исследований часто требуются моно­кристаллы. Вспомните хотя бы рентгеновские экспе­рименты или определение критических сдвиговых на­пряжений. Более того, монокристаллы нужны и про­мышленности (в основном, правда, это касается полу­проводников). Большинство методов выращивания мо­нокристаллов основаны на разделении зарождения и роста. Вот один из известных вариантов.

Тигель с расплавом медленно вытягивается из печи, где поддерживается температура несколько выше температуры плавления сплава (рис. 122). У вы­хода из печи поверхность рас­плава приведена в соприкос­новение с ранее полученным кристаллом. Он и играет роль единственного зародыша, к ко­торому по мере вытягивания тигля пристраиваются новые атомы. Переохлаждение при этом оказывается настолько малым, что другие зародыши появиться не успевают и вы­растает монокристалл.

Вместо вытягивания из печи можно воспользовать­ся зонной плавкой, перемещая кольцевой нагреватель от кристалла-затравки. При этом одновременно про­исходит выведение примесей и монокристалл сразу вырастает чистым.

Знакомство с ходом нормальных превращений по­могает лучше понять возможности закалки. Если при низких температурах диффузионные процессы зами­рают, то быстрым охлаждением фазовое превращение можно подавить. Достаточно лишь подобрать такую скорость охлаждения, чтобы на опасном участке (ког­да скорость превращения велика) процессы зарожде­ния и роста не успевали развиться.

Вопросы древние, как сталь

Есть, однако, фазовые превращения, ко­торые быстрым охлаждением подавить нельзя. Наобо­рот, именно оно способствует их протеканию. Самый известный пример — превращения, происходящие при закалке стали.

•Монокристцгр

L-Печь с о pacnjiaejtcHHbtM О мета/г/юм

Рис. 192

Словосочетание «закаленная сталь» шагнуло дале­ко за рамки металловедения. А сам процесс закалки как магнитом притягивал к себе внимание людей:

Так Зигфрид правит меч над

Горномг То в красный уголь обратит, То быстро в воду погрузит — И зашипит, и станет черным Любимцу вверенный клинок…

В строках Александра Блока чувствуется какая-то колдовская сила, таящаяся в закаленном оружии. Но откуда она появляется, ни­кому в течение тысячелетий ведомо не было. Металл ис­следовать не умели и сек­реты закалки связывали со средой, в которой закаля­лась сталь. Зато уж тут фантазия «специалистов» по закалке не знала преде­лов. По одним рекоменда­циям раскаленный клинок следовало вонзить в тело мускулистого раба. IIo другим — производить закал­ку в горном ущелье, где дуют сильные ветры. Уже в наше время американцы ввозили воду для закалки из Англии… и т. д. и т. п. За этими странными по сегод­няшним меркам рецептам стояло незнание: люди не могли объяснить, почему при закалке сталь становит­ся тверже.

XIX век приоткрыл завесу над тайной. На шлифах закаленной стали обнаружили образования, которые появлялись только после закалки (рис. 123). Они имели характерную игольчатую форму, которую ни с чем нельзя было спутать. Новую структурную состав­ляющую назвали мартенситом. Чем больше его находили в стали, тем тверже она была. Значит, именно мартенситу обязана закаленная сталь свои­ми уникальными свойствами. Но что такое мар­тенсит?

Обратимся к диаграмме состояния железо — угле­род, так как только из этих двух элементов состоят простейшие стали. В своих основных чертах эта диа­грамма стала известной в начале XX века. Мы приве­дем интересующий нас участок в современном виде (рис. 124),

Диаграмма не очень проста. Ее усложняют поли­морфные превращения железа. В интервале от 911 до 13920C чистое железо имеет ГЦК решетку (у-желе – зо). Углерод в нем хорошо растворяется. Получаю-

Рис. 123

Щийся раствор внедрения, как мы уже знаем, назы­вается аустенитом. Это наиболее важная фаза при изучении превращений в сталях. Не случайно сталью называется сплав железа с углеродом с концентра­цией последнего не более 2,03 мае. % [39]). Это точно равно пределу растворимости углерода в у"железе>

Добавьте еще углерода и получите уже не сталь, а чугун.

При 911 0C чистое железо претерпевает полиморф­ное превращение ГЦК — ОЦК (а-железо). В а-желе – зе углерод растворяется гораздо хуже (раствор назы­вается ферритом) и это прекрасно видно на диаграм­ме. Предельная растворимость — всего 0,025 мае. %.

Третий герой нашего повествования — цементит (FesC). Это химическое соединение углерода и желе­за со сложной кристаллической решеткой.

V у г Sf – г Yv г

Fe Fe3C

О IjO Гр 2,0 Ufl 50 ?О $7

KiFe3C

Wjoji—— >– 1— ‘—- L

Рис. 124

Попробуем представить, глядя на диаграмму, что произойдет при медленном охлаждении аустенита, со­держащего 0,8 мае. % углерода. Мы выбрали этот случай из-за его простоты. Но читателям вполне по силам разобраться и в процессах, происходящих при охлаждении аустенита других составов.

При 723 0C реализуется фазовое превращение:! аустенит распадается на феррит и цементит. «Подно­готная» превращения достаточно прозрачна: при этой температуре ГЦК решетка аустенита трансформиру­ется в ОЦК решетку феррита (заметьте, что углерод смещает температуру полиморфного превращения). Но в ней растворимость углерода намного ниже и его избыток выделяется в виде цементита. Необходимая для образования цементита группировка рассеянных атомов углерода — процесс диффузионный. А раз так, то на него требуется время, и быстрым охлаждением его можно затормозить. Поэтому при закалке стали распад аустенита происходить не должен. Более того, вообще ничего не должно происходить, и ответов на вопрос, что такое мартенсит и откуда он берется, диа­грамма состояния не дает.

Путаница с мартенситом долгое время была изряд­ная. В 1926 году металлург А. Совер попытался рас­крыть секреты мартенсита с помощью анкеты. 29 ве­дущим в мире специалистам предлагалось ответить на несколько вопросов, связанных с закалкой стали. Из 29 избранных ответили 23. Давайте вернемся на 60 лет назад..,

Это был переломный момент в физике металлов, когда только начала применяться рентгеновская тех­ника. Уже стали известными кристаллические решет­ки обеих модификаций железа — а и у. Но мартенсит рентгеновской съемке еще не подвергался.

Первый пункт анкеты предлагал определить, в ка­ком виде в мартенсите содержатся железо и углерод. Для железа имелись всего три возможности: а-желе – зо, у-железо и смесь а + у. Все анкетируемые прояви­ли единодушие и сочли, что мартенсит имеет решетку а-железа.

Хуже обстояло дело с углеродом. Вариантов опять-таки не слишком много: чистый углерод, цемен­тит и смесь углерода с цементитом. Однако ответы продемонстрировали разнообразие версий. Девять экспертов посчитали, что углерод присутствует в виде цементита, хотя некоторые выразили свое мнение с предельной осторожностью. Четверо придерживались противоположной точки зрения, ратуя за чистый угле­род. Один анкетируемый заявил, что присутствуют и чистый углерод, и цементит. Трое честно признались, что не знают. А оставшиеся проявили такую «аккурат­ность», что трудно даже уловить, к чему они скло­няются.

Большую согласованность вызвал вопрос о том, что такое мартенсит — химическое соединение, твер­дый раствор или смесь разных фаз. Почти все выска­зались за твердый раствор, хотя встречались и другие ответы. Приведем наиболее откровенный: «Так как я не знаю, что такое мартенсит, то и не могу найти термины для его описания».

Сторонники «твердорастворной» природы мартен­сита в основном считали, что углерод (в виде цемен­тита или в чистом виде) располагается в междоуз­лиях решетки а-железа. Но некоторые не исключали, что и в узлах.

Подводя итоги анкеты, Совер отмечал, что про­гресс в понимании природы мартенсита за последние 30 лет сравнительно невелик. А ему было с чем срав­нивать. В 1896 году тот же Совер уже проводил ана­логичную анкету. Это была вторая.

Но почти одновременно с анкетой были выполнены работы, в которых с помощью рентгеновских лучей структуру мартенсита удалось расшифровать. Оказа­лось (в сответствии с мнением большинства), что мар­тенсит— это твердый раствор углерода в а-железе. Но раствор необычный. При закалке диффузионные процессы перераспределения углерода затормозить удается, а вот полиморфное превращение — нет (по­чему это так, мы объясним в следующем параграфе). В результате в феррите углерода оказывается столь­ко же, сколько его содержалось в аустените. Но это намного превосходит предел растворимости и пересы­щение углеродом дает о себе знать.

Внедренные углеродные атомы раздвигают близле­жащие атомы металла, и в решетке появляются упру­гие искажения. Так бывает всегда в растворах вне­дрения. Но представьте себе, что в решетку железа удалось «запихать» очень много атомов углерода, на­много больше, чем та может «вынести» в нормальном состоянии. Упругие искажения при этом становятся очень большими и вся решетка оказывается в напря­женном состоянии. В этом и заключается причина твердости мартенсита. Чтобы ее лучше понять, приве­дем такую аналогию: начнем заполнять резиновый мешок теннисными мячам-и. Пока мешок не раздулся, он довольно дряблый. Но по мере заполнения мешок твердеет и, если не лопнет, может стать твердым как камень. Есть и другие примеры на ту же тему. Вспо­мните, каким «каменным» становится напряженный бицепс. А любители спорта прекрасно знают, какое неприятное «деревянное» ощущение оставляет пере­качанный футбольный или волейбольный мяч.

Более точное объяснение твердости мартенсита дает теория дислокаций. Твердость материала озна­чает, что его трудно пластически деформировать, т. е. трудно сдвинуть дислокации с места. Большие иска­жения кристаллической решетки в мартенсите приво­дят к сильному взаимодействию между внедренными атомами и дислокациями, а это и затрудняет их дви­жение.

Так была разгадана тысячелетняя загадка зака­ленной стали. Но список интересных вопросов, свя­занных с мартенситом, на этом отнюдь не был исчер­пан. Как вы думаете, где располагается углерод в мартенсите? Ясно, что в междоузлиях. Но в каких — октаэдрических или тетраэдрических (рис. 125)? На

Тетраздрическое междоузлие

Октаздрическое междоузлие

Рис. 125

>~Fe

Первый взгляд кажется, что в тетраэдрических. Ведь их радиус^т. е. расстояние до ближайших узлов, боль­ше (а У 5 /4 против а/2, где а — длина ребра куба) Но не всегда верны простые аргументы типа модели твердых шаров.

Л7\

Рис. 126

С самых первых рентгеновских работ по мартенси­ту возникло подозрение, что углерод облюбовал окта – поры. Конечно, рентгеновские лучи не могли непо­средственно определить «резиденцию» углеродных атомов. Но был очень серьезный косвенный аргумент. Решетка мартенсита оказалась не кубической, как у обычного а-железа, а тетрагональной (рис. 126).

Однако какое отношение имеет решетка железа к. положению углерода? Оказывается, самое непосред­ственное, и это быстро выявилось. Рентгеновские экс­перименты показали, что параметры решетки с и а линейно зависят от содержания углерода (рнс. 127).

Если прямые продолжить так, как показано штри­ховой линией на рис. 127, к нулевому содержанию углерода, они придут точ­но к параметру решетки чистого а-железа. Значит, тетрагональность решет­ки мартенсита связана с внедренными атомами уг­лерода. Но только угле­род, расположенный в октапорах, может неизотропно растягивать кубиче­скую решетку, придавая ей тетрагональность. Почему это так, помогает понять кристаллография.

V

Все октапоры в а-железе (и в любой ОЦК решет­ке) состоят из трех изображенных на рис. 128 подре-

ATt

/

ОС

Рис. 128

Шеток. У октапор первой подрешетки ближайшие к ним атомы металла расположены по направлению оси х, второй подрешетки — по направлению оси у, третьей — z.

Представьте себе, что атомы углерода заполняют лишь одну из подрешеток, например третью. Тогда, действуя «в унисон», они раздвинут соседние метал­лические атомы главным образом вдоль оси г. И ре­шетка из кубической станет тетрагональной.

В тетрагональной решетке атомам углерода угото­ваны более «удобные» и просторные позиции — в ок- тапорах третьей подрешетки. И именно ими они в ос­новном пользуются. Можно доказать, хотя это доволь­но сложно, что если атомы углерода занимают пози­ции строго в одной подрешетке октапор, энергия упругих искажений будет минимальной. Ну, а как смотрит на такую неравноценность октапор энтропия? Мягко говоря, косо. Посудите сами: из всех предо­ставленных им междоузлий атомы углерода занимают всего лишь 1/3. Таким образом, большого беспорядка не создать.

Не кажутся ли вам знакомыми мотивы нашего разговора? Уже само слово «подрешетка» должно вы­зывать правильные ассоциации: мы имеем дело с упо­рядочением. Правда, в необычном для нас виде. В твердых растворах замещения упорядоченным об­разом располагались атомы двух сортов — они дели­ли между собой разные подрешетки. А в растворе внедрения роль атомов второго сорта (первый сорт —¦ атомы углерода) отведена вакантным междоузлиям.

Мы очень увлеклись связью расположения атомов углерода в октапорах с тетрагональностью мартенси­та. И действительно, все получается довольно склад­но. А в тетрапорах, наоборот, никакое расположение атомов углерода к тетрагональности привести не мо­жет (проверьте это сами). Но настоящее доказатель­ство «выбора» углеродом именно октапор было полу­чено лишь в 1972 году с помощью нейтронографии.

Итак, туман, плотно покрывавший структуру и свойства закаленной стали, постепенно рассеивается. Но по-прежнему совершенно неясным осталось то, как при закалке атомы железа успевают перестроить­ся из ГЦК в ОЦК решетку?

Правила Юм-Розери

В 1966 году в Женеве состоялся Между* народный коллоквиум, иа котором обсуждались во« просы теории фаз в сплавах. Он был исключительно представительным —¦ собрались ведущие металлофи­зики многих стран мира. По материалам докладов был выпущен сборник, который открывается знамена­тельными словами: «Книга посвящается профессору У. Юм-Розери, чьи труды превратили металловедение из ремесла в науку». Чем же заслужил Юм-Розери такое посвящение?

Взяв в руки один из толстых справочников по фа­зовым диаграммам и открыв его на нужной странице, вы сможете выяснить, как растворяются друг в друге разные металлы, распадаются или упорядочиваются твердые растворы, при каких температурах происхо­дят фазовые превращения и т. д. И невольно возни­кает вопрос, а нельзя ли узнать что-либо о диаграмме без ее построения? Нельзя ли прогнозировать фазовое состояние сплавов, исходя только из свойств чистых компонентов? Уильям Юм-Розери первым попытался ответить на эти вопросы.

Очевидно, что для неограниченной растворимости друг в друге металлы должны обладать одинаковыми ¦кристаллическими решетками. Но этого недостаточно. Одни пары металлов с одинаковыми решетками при достаточно высоких температурах образуют непрерыв­ную область твердых растворов, а другие пары друг друга практически «не терпят» и предел растворимо­сти в твердом состоянии очень мал. Почему это так?

Юм-Розери заметил, что для хорошей растворимо­сти атомы обоих металлов не должны заметно отли­чаться по величине. И это вполне понятно. Представь­те себе, что в кристаллическую решетку из теннисных мячей вы вставляете футбольный мяч. Это сразу вы – зывет ее искажения. И если футбольных мячей взять достаточно много, то кристаллическая решетка как таковая перестанет существовать. Можно сказать, что растворимость футбольных мячей в теннисных очень низкая из-за неблагоприятного размерного фактора (так принято называть несоответствие атомных раз­меров). Проанализировав экспериментальные фазовые •диаграммы, Юм-Розери заключил, что размерный фактор неблагоприятен, если атомный радиус раство­ренного элемента на 14—15 % больше, чем атомный радиус растворителя. В этом случае область твердых растворов на диаграмме сильно ограничена, т. е. пре­дел растворимости достаточно низок (обычно не боль­ше нескольких процентов).

Ну а если размерный фактор благоприятен? Это еще не гарантия хорошей растворимости. Например, элементы между собой могут образовывать химиче­ское соединение с низкой свободной энергией и тогда области твердых растворов «оттесняются» в углы диа­грамм.

Пока речь шла о вещах более или менее очевид­ных. Но вот следующее наблюдение Юм-Розери за­ставляет взглянуть на образование фаз в сплавах со-

Обратим внимание на фазовые диаграммы трех сплавов на основе меди — Cu — Zn, Cu — Al и Cu — Sn. Их замысловатый полный вариант нам не потребуется, и мы приведем лишь интересующие нас фрагменты (рис. 113).

193

Налицо несомненное сходство. Во всех трех систе­мах а-фаза — ГЦК твердый раствор на основе меди, а р-фаза имеет ОЦК решетку (это нам уже известно на примере р-латуни). Приблизительный состав р-фаз отвечает химическим формулам CuZn, СщА1 и Cu5Sn. На первый взгляд, никакой закономерности нет. Но это только до тех пор, пока концентрация приводится в атомных (или тем более массовых) долях.

7 А. С, Штейнберг

Юм-Розери предложил выражать концентрацию в количестве валентных электронов на атом (обозна­чается е/а). Каждый из металлов, как известно, от­дает часть своих электронов в общее владение всему кристаллу («коллективизирует» по Я. И. Френкелю). Они и называются валентными. За счет притяжения между ионами и валентными электронами и возникает специфическая металлическая связь.

Количество валентных электронов у атома дан­ного металла зависит от его положения в таблице Менделеева и хорошо известно. У меди — один ва­лентный электрон, у цинка —два, у алюминия — три, у олова — четыре. А теперь подсчитаем значение е/а во всех трех р-фазах:

Ш

Ю

(т)

1,5, 1,5, 1,5.

CujAI

1X1+2X1

1 + 1

1X3+3X1 3+1

1X5+4X1

Cu5Sn

5+1

CuZn

Случайными такие совпадения не бывают! Тем бо­лее, что |3-фазы образуются еще в целом ряде систем (медь — индий, медь — бериллий, серебро — цинк, марганец — цинк и т. д.) и всегда области их суще­ствования лежат в районе значения е/а = 1,5. Уда­лось также выявить и еще несколько характерных фаз, которым отвечает определенное значение элек­тронной концентрации е/а. За ними так и закрепилось название электронных фаз.

Первые наблюдения Юм-Розери датируются 1926-м годом. С тех пор предпринималось немало по­пыток пролить свет на тайны электронной концентра­ции. Но, несмотря на все усилия и отдельные удачи, полной ясности в этом вопросе нет и по сей день.

Открытие Юм-Розери имело два важных след­ствия. Во-первых, появилась возможность ограничен­ного прогноза фазовых диаграмм. А во-вторых, стало совершенно ясно, что истинные «художники» диа­грамм — не нейтральные атомы, а электроны и ионы.

До сих пор мы говорили почти только об атомах. Но это отнюдь не значит, что все рассказанное невер­но. Электроны и ионы все время фигурировали «на заднем плане»! Например, не раз обсуждалось взаи­модействие атомов между собой. В металле оно обус­ловлено кулоновскнм отталкиванием ионов и их же кулоновским притяжением к «коллективизированным» электронам. Но об истоках межатомного взаимодей­ствия почти не упоминалось. Внимание акцентирова­лось лишь на результате — существовании взаимодей­ствия и на следствиях, к которым оно приводит. По­этому неявным образом мы учитывали раздельное су­ществование электронов и ионов.

Однако возможен совершенно иной подход. Можно с самого начала в явном виде учитывать существова­ние электронов и ионов. Это, конечно, серьезно услож­няет задачу. Во-первых, увеличивается общее число частиц и их «сортность». Даже в чистом металле оказываются два типа частиц — тяжелые ионы и лег­кие электроны. Кроме того, электроны и ионы прихо­дится рассматривать с позиций квантовой механики как частицы и волны одновременно. Вычислить сво­бодную энергию такой системы весьма не простая за­дача.

Несмотря на все сложности, такой подход получил, особенно в последнее время, широкое распростране­ние. Ведь только на его основе возможно истинное прогнозирование свойств сплавов. Не в последнюю очередь его растущая популярность связана с появле­нием быстродействующих компьютеров, которые де­лают реальным выполнение чудовищных расчетов. К сожалению, более подробно рассказать о квантовой теории сплавов мы не можем, так как эта тема, несо­мненно, заслуживает отдельной книги.

ГЛАВА 6

Что такое «род фазового перехода»?

Брэгговские Пики

JUUIJ

Диффузное Рассеяние

2?пв

Рис. 109

Погоня за точностью построения диа­грамм состояния — лишь одно из направлений разви­тия теории упорядочения. Однако через призму диа­грамм не удается различить, как происходит этот фа­зовый переход.

В р-латуни дальний порядок возникает в точке Курнакова и постепенно развивается при охлаждении (рис. 110, а). А возможны ли иные способы? Здесь так и хочется вспомнить древнегреческий миф, соглас­но которому богиня мудрости Афина появилась на свет из головы Зевса в полном воинском облачении и с боевым кличем. Так вот, в большинстве случаев «рождение» дальнего порядка происходит по способу, «запатентованному» Афиной.

CuZn

7;

Tc Т

А

Рис. 110

На рис. 110,6 показана температурная зависи-‘ мость параметра дальнего порядка в сплаве СизАи. Никакой постепенности! В точке Курнакова — резкий скачок. С самого момента своего возникновения даль­ний порядок оказывается хорошо развитым. Теория ГБВ (как бы плохо мы теперь о ней не думали) по­зволяет понять, почему в одних случаях скачок пара* метра дальнего порядка имеет место, а в других — нет. Для этого сравним результаты расчетов зависи­мостей свободной энергии от параметра порядка в сплавах Cu3Au (рис. 111,а) и CuZn (рис. 111,6)*).

Поведение свободной энергии в двух случаях со­вершенно различно. В сплаве СизАи вблизи точки Курнакова {Т ^ТС) на кривой свободной энергии формируется второй, более мелкий минимум при нену­левом значении г). При дальнейшем охлаждении он углубляется, пока глубина обоих минимумов не срав­няется. Это и есть точка фазового перехода. Сверх­структура сразу образуется «хорошо сформировав-

¦*) Графики имеют схематический характер.

Шейся», так как значение ri в точке Курнакова может быть близким к 1 (в сплаве Cu3Au около 0,8).

Существование двух минимумов свободной энергии, разделенных «горбом», приводит к интересным след-

Тг<х Fk тг%<тг

Л д

Л %<ъ

Я

Ч

К/

Ч

T1 Fi

1 П

Рис. 111

Ствиям. О иих дает представление простая механиче­ская аналогия.

Поставим спичечный коробок на торец (рис. 112), Энергетически это не самое выгодное положение.

Рис. 112

As

Ot

Куда лучше лежать плашмя! Но если по­степенно наклонять ко­робок, то (прежде чем уменьшаться) потен­циальная энергия нач­нет увеличиваться. На кривой зависимости по – наклона появятся два

Тенциальнои энергии от угла разделенных «горбом» минимума.

I

На торце коробок находится в относительном рав новесии. Если его слегка наклонить, он, как ванька

Встанька, вернется в прежнюю позицию. Рано или поздно коробок все-таки опрокинется в лежачее поло­жение. Причиной тому могут стать рок-н-ролл в со­седней комнате, порыв ветра из открытой форточки или, например, землетрясение. Но вероятность этих событий не слишком велика, и в «неудобном» положе­нии коробок может находиться очень долго.

Теперь вернемся к сплаву Cu3Au. Предположим, что при охлаждении достигнута температура, когда более глубокий минимум соответствует упорядоченной фазе (эта ситуация соответствует температуре T4 ил рис. 111, а). Это не означает, что произойдет фазовый переход. Ведь для этого системе надо форсировать «горб» свободной энергии!

Мы знаем, что свободная энергия — понятие веро­ятностное. Поэтому в результате теплового движения у сплава имеется возможность перебраться через ро­ковой «горб», за которым открывается радующая глаз глубокая долина. Но это может потребовать та­кого времени, которого природа не отпустила на жизнь экспериментаторов.

Если еще немного охладить сплав, горб станет бо­лее пологим и вероятность превращения заметно воз­растет.

В результате в сплаве типа Cu3Au фиксируемая экспериментально точка Курнакова всегда отличается от истинной точки перехода — температуры равенства глубин двух минимумов. При охлаждении она ниже истинной точки, а при нагреве — выше. Ничего подоб­ного не происходит в р-латуни, так как при любой температуре имеется только один минимум и никаких горбов!

Другое различие двух случаев мы увидим, записав формулы теории ГБВ для энергии и энтропии (огра-. ничимся сплавом типа CuZn):

E = 2N{\ + г]2) V, S = kN [ In 2 – 1 (1 +г]) In (1+ri) – 1 (1 -Ti) In (1 – Ti) ] .

И энергия, и энтропия — плавные функции пара­метра порядка. Если он в точке Курнакова испыты­вает скачок, то приходится «скакать» и обеим повели­тельницам мира атомов.

Этот скачок можно наблюдать экспериментально. Ведь по формуле Клаузиуса изменение энтропии свя­зано с тепловым эффектом превращения;

AS = AqIT.

Поэтому упорядочение в СизАи сопровождается теп­ловым эффектом, а в CuZn — нет.

Наличие скачков термодинамических величин по­ложено в основу классификации фазовых переходов, разработанной в 1933 году известным физиком-теоре­тиком Паулем Эренфестом (1880—1933). Это одна из колоритных фигур в физике XX века. Ученик Л. Больц­мана, Ф. Клейна и X. Лоренца, друг А. Эйнштейна, Н. Бора и Э. Ферми, учитель С. Гаудсмита и Дж. Улен – бека, несравненный знаток и ценитель физики, он оставил сравнительно скромное научное наследие. Причиной тому стала чрезмерная требовательность к самому себе, которая не давала полностью развер­нуться дарованию Эренфеста. Жизнь его оборвалась, как и у его учителя Л. Больцмана, трагически. По­следняя опубликованная работа содержала классифи­кацию фазовых переходов.

По Эренфесту, к фазовым переходам I рода (по традиции род перехода обозначается римскими циф­рами) относятся превращения, сопровождающиеся скачками энергии и энтропии. При переходах II рода энергия и энтропия остаются плавными функциями, зато скачок испытывают теплоемкость и некоторые другие термодинамические величины. Типичными при­мерами переходов I рода являются плавление, поли­морфные превращения, сублимация, II рода — маг­нитные переходы, переход металла в сверхпроводящее состояние. Атомное упорядочение может идти по обоим механизмам, хотя в подавляющем большинстве слу­чаев «предпочитает» все-таки переход I рода ((5-ла – тунь — одно из редких исключений).

Общее теоретическое исследование фазовых пере­ходов (в том числе и упорядочения) было выполнено в серии работ Льва Давидовича Ландау и его учени­ков. Теория Ландау сложна и мы не рискуем ее здесь излагать. Отметим только, что Ландау получил кри­терий возможности протекания фазовых переходов II рода. И оказалось, что, например, упорядочение в сплаве СизАи идти по механизму перехода II рода не может. А вот в CuAu и CuZn может идти по механиз­му переходов обоих родов. Тем не менее в CuAu реа­лизуется переход I рода, а в CuZn — II рода.

Экспериментально не всегда просто определить, к какому роду относится то или иное превращение. В этом отношении показательна история, случившаяся на рубеже XIX и XX веков.

В гл. 3 (рис. 12) мы приводили кривую охлаждения чистого железа и… немного слукавили — не довели ее до более низких температур. А при температуре 770 0C появляется еще одна «остановка» — новое фа­зовое превращение. Построивший эту кривую извест­ный французский ученый Флорес Осмонд интерпрети­ровал ее как еще одно структурное превращение. Од­нако «отец металлографии» знаменитый Дмитрий Константинович Чернов это утверждение оспаривал. Он считал, что никаких структурных превращений в железе при этой температуре не происходит. Любо­пытно, что к своему заключению Чернов пришел на основании наблюдений внешнего вида металла! Се­годня это трудно себе представить, но у Чернова был исключительно наметанный глаз и феноменальная на­блюдательность. По цвету раскаленной стали он мог определять ее температуру (надежных приборов для измерения высоких температур тогда не было), визу­ально находил и точки других превращений в железе и стали.

Выполненные в 20-х годах рентгенографические исследования подтвердили правоту Чернова. Превра­щение при 7700C действительно оказалось не струк­турным, а магнитным. Но ведь это — переход II рода, ¦Теплового эффекта нет и, следовательно, не должно быть «остановки» на кривой охлаждения! Ошибка Oc – монда? Дело в том, что на месте «остановки», строго говоря, должен находиться излом кривой, который свидетельствует только о другой скорости остывания магнитной фазы [34]). Но отличить «излом» от «останов» ки» в реальном эксперименте удается далеко нв всегда.