/
Автор: Нехендзи Ю.А.
Теги: металлургия обработка металлов сталь литейное производство литье
Год: 1948
Текст
Hl,]'
Ю. А. НЕХЕНДЗИ
СТАЛЬНОЕ ЛИТЬЕ
Допущено Министерством высшего образования СССР
в качестве учебника
для металлургических и политехнических
институтов
государственной
НАУЧНО- ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ЛИТЕРАТУРЫ ПО ЧЕРНОВ И ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Москва 1918
Рецензенты
академик А. А. Бочвар
член-корреспондент
Академии Наук СССР М М Карнаухов
3dTNR ЗОНсШАТЭ
Ответственный редактор
А И. ОЛЬШЕВСКИЙ
ЧЗЗЭ алммосмцЪо -.гм*» мс,’
чшЪып) ^нтпмя »>
имм»мл»пмлж М Т.ЧГЫ1ЖЧЩ IJTm. КкЬ
мп^п-»н
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Предисловие 11
Введение - ................. - • >3
^Характеристика свойств и производства фасонного .стального читья '6
Номенклатура стальных отлнвок , - - 19
Классмфикаигв сткльвого литья - 2"*
-I
ОТДЕЛ ПЕРВЫЙ
ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА Я ПЕРВИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ
В ОТЛИВКАХ
Глава 1. Охлаждение и ватиердеиание сиаля в отливках 25
I. Охлаждение н затвердевание стали ......... 23
2. Теоретические расчеты скорости охлаждения я затвердевания
стали - ........................................... 29
3. Скорости, охлаждения и затвердевинвя отливок в зйвисимостн
от их конфигурации............................... - - 33
4. Влияние т< ературы мета л та, температуры и материала
формы ва скорость затвердевания стали в отливках......... 38
5. Влияние толщины- .стенок и массы формы на скорость м
твердевання стальных отливок ... - . . 42
t Л а в а И. Жидкотекучесть стали .... ................................... 45
А Влияние основных фязвко-химическик свойств жидкой стали
на ее жидкотекучесть...................................... 47
I. Влияние вязкости и строения жидкой стали - 47
2. Влияние суспендированных включений ... 50
3. Влияние поверхностного натяжения жидкой ста ih 52
4. Влияние поверхностных пленок ва жидкой стали 54
5. Влияние газов, выделяющихся нз металла.................. 56
6. Влияние плотности, теплоемкости м теплопроводности жидко-
го металла ... -.................................... 56
7. Влияние формы я скрытой теплоты первичной кржсталливации 57
8. Влияние температуры яатвердевания и температуры заливки
металл?................................................. 58
Б. Влияние особенностей формы на Жидкотекучесть стали 62
I. Технологические Прсбы на жидкотекучесть стали .......... 62
2. Подвод и напор металла в мроИХ на жид» зтекучесть - - - 67
3. Движение металла в пробах ие жидкотекучесть ............ 68
4. Показатели пробы ва жидкотекучесть...................... 71
Гл в a 111. Первичная кристаллизация стали в отливная .................... 73
А. Влниине основных физике химических свойств жидкой стали
нй-Ч на иервиЧ'йутЬ кристаллизацию ее в отливках................... 7*7
I. Влияние температуры, состава н строения жидкой стали на
самопроизвольную и вынужденную кристаллизацию в от-
ливках - ........ - ............................ 78
2 Модификация (модифицирование) стали 81
Б. Влияние формы ва яервияиую кристаллизацию стал в отливках S3
I. Влияние скорости охлаждения (температуры металла и фор-
мы, температуропроводности формы) ия периодическую кри-
сталлизация стали и ее строение в отливках ................. 83
®. Влияние подвода металла и скорости заполнения формы на
лернячную кристаллизацию стала ........................ 90
Содержание
В. Некоторые особенности строения при перничной кристаллизации
стали и их влияние на спойства отливок ......................... 93
1- Дендритное строение кристаллизации в отливках - - 93
2. Межкристаллитные поры в межкристаллитная пленка в литой
стали.............................-......................... 96
3. Влияние некоторых особенностей строения при первичвой
кристаллизации стальных отливок на их механические свой-
ства ................- -................................. 98
Глава IV. Усадка ствая отливках ...... 105
А. Влнение физико-химических свойств стали ва ее усадку 107
1 . Усадка стали в жидком состоянии............- • - 108
2 Усадка стняя при затвердевании - м 109
3 Усадка стали в твердом состоянии 110
4 . Полная усадка стали ... - 116
Б. Влияние формы ва усадку стали в отливках - 117
1. Затрудненная линейная усадка стали (действительная усадка} 118
2. Влияние толщваы стенок н длины отливок ва литейную
усадку - ........................ 120
3. Механическое в термическое торможение усадки 123
Глава V. Усадочные рнковяны стальных отливках и меры борьбы с ними 125
I. Теория образования усадочной рвкЛзиАм и формул»
определения ее объема- г.--- , - - -........................ 126
2. Анализ процесса образования усадочной рнковииы 136
J. Положение и форма усадочной ракши» . • адхО I г. 142
4. Влияние свойств металла и формы ня объеч, форму и рас-
положение усадочных раковин в отливках............. .... 149
5. Меры борьбы с усадочными раковинами в отливках 159
Глава VI Газовые яклюнення стальных отливках и меры борьбы с ними 171
I. Газовые включения в отливках 171
2. Механизм образования газовых раковин 172
4. Газовые раиовниы л отливках образованные газами, выделяю-
щимися нз стали............................................... 174
1. Поглощение газов сталью 174
2. Выделенме газов из стати в образование пузырей 179
3. Кислород в стиля .. 185
4. Водород в стали 190
5. Азот в стали 202
6. Окись углерода, двуокись углерода и метан в с шли 204
7. Меры борьбы с газовыми раковиначи н включениями в от-
ливках по вине металл»....................................... 2Q5
Б. Газовые рвповняы в опнвкях, образованные гззвми из формы 205
1. Инжектирующее влияние литниковой системы ............. 206
2 Влияние воздуха и газов Валивэембй по.тостн формы 206
3. Влияние влажности формы 209
4. Влияние гаэопюриых составляющих формат- 210
5. Влияние газопроницаемости я плотное» набнвк^ формы и
стержней............................................ .... 212
6. Влияние подвода метал >а 213
7. Влияние температуры заливки 215
8. Влияние материала и температуры формы 216
9. Влияние жеребеек и холодильников - - 217
10. Влияние конструкции отливок . - а 21V
Глава VII. Неметаллические яключенва стальных отливках и меры борьбы
с ними ...... ................. ... . 219
1 Неметаллические включения в отливнях 219
2 . Механизм образования, форка и расположение -неметалличе-
ских включений.............- ... ............. 220
А. Неметаллические включения в отливках, обраэоват»ые Включе-
ниями на металла............. - • 223
1. Включения, попавшие в металл мавае 223
2 Включения образовавшиеся в металле 224
Б. Неметаллшосюк включения в отладках, образованные включе-
ниями из формы........................................ 231
Содержание
к
93
93
98
105
107
108
l№
ИО
Ш
117
НВ
ИО
123
125
126
№
142
149
159
171
171
172
174
В
|85
<90
2W
205
205
206
п
209
210
1»
L"
/
I
т
t
I Неметаллические включении попадающие из полости формы,
подводящей металл . - - - ....... 231
2. Неметаллические включения, пола лающие из полости формы,
заливаемой металлом - - - 233
Глава VIII. Лняиацня стальных отливках и меры борьбы с пей 239
Л. Механизм процесса ликвации и стальных отливках - 240
I. Зональная лнква жя ложикительнаа и отрицательная, осевая
и внеосевая, как стедствие процессов ликвации стали в жид-
ком ее состоянав 240
2. Зональная и кристаллическая ликжация стили к* следствие
процесса ее первичной кристаллизации 242
X Нормальная зональная ликвация 245
4 Обратная зональная ликвация 247
5. Ликвация по удельному весу 248
6 Кристаллическая (дендритная) ликвация 248
7. Газовая ликвация - - 251
Б. Влияние основных фмзмкохиывческих свойств ста ня на про-
цессы ликвации в отлмках ............................... 252
1. Связь ликвации с неоднородностью риспределенвч элементов
состава металла ............................................ 252
Z Меры борьбы с развитием тнквацни в отливках по няие
металла 254
В. Влияние формы на процессы ликвации в от ивках - 254
I Влиявае условий залияки на тнкняцию 254
Влияние ма лжк,нацию скорости охлаждения отливки в форме 255
3- Влиинне ва ликвацию конструкцва отливки при заливке - • 257
4. Меры борьбы с развитием ликвации в отливках по ване
формы 259
ОТТТЛ ВТОРО*
АНТЕННЫЕ СВОЙСТВА И ВТОРИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ
В ОТЛИВКАХ
Глава IX. Вторичяан кристаллизация стали в отливках при остыванян
□ форме и в процессах термической обработки 260
ЕВторнчная кристаллизация стали в отливках
при их остывании в форме . .. 262
Самопроизвольная и вынужденная межкристаллитная и виутрй-
кристал.титная вторичная кристаллизация 262
Л. -влвжиие —utu» стали жп вторичжую кристаллизацию при осты-
вании отливка в форме 266
I. Влияние неметаллических включений на вторичную кристал-
лизацию стала в отливках 266
I. Влияние неоднородности состави стали на вторичную кри-
сталлизацию стала в отливках - 270
3. Влияние состава стали на вторичную кристаллизацию ее в от-
лавках 274
к
Ь. Влияние формы «а вторичную кристаллизацию стали при осты-
папин отливки 276
1. Влияние ня вторичную кристаллизацию скорости охлаждения
отливки в форме и условий ее запол некая 276
II. Вторичная кристаллизация стали в отливках
при их термической обработке 280
1. Влияние термической обработки ня вторичную кристаллиза-
цию в отливках 280
2. Влаяние скорости охлаждения при термической обработке на
вторичную кристаллизацию стали в отливках .............. 282
3. Процессы термической обработки в производстве стальных
отливок .... ... 287
Глава X, Горнчяе трещижы в стальных отливках и меры борьбы С ними - 293
1. Горячие трещины в отливках......... 293
2. Механизм образования горячих трещин ?94
CodepacaWtte
А. Влияние свойств к тал ia иа образование горячих трещка -
I. Влияние усадки металла - - - ........
2 Влияние жидкотекучести металла ........................
3. Влияние первичной крястал тнэацян усадочных районам, лик-
вация. газовых и неметаллических включений ................
4 Binwfrtfe темттсратурыгроводностя металла" F -
5. Влияние прочности мдтмьм -*
6. Влияние та мл ера туры и скорости еяяивии - ......
Б. Влияние формы на образование горячих трещин в стальных
отливках................... ..................................- .
1. Податливость формы ....
2. Влияние конструкция отливки
3. Влияние подвода металла, установки прябытей и скорости
остывания отливки ............................
Глава XI Литеиные напряжения * стальных отлиякм и меры борьбы с ними
А. Теория образования литейных напряжений в стальных отливках
1. Остаточные напряжения в отливках ...........
2. Термические напряжения в отливках при их охлаждении . -
3. Фвзовые напряжения в отливках при их охлаждения
4. Усадочные напряжения в отливках при их охлаждении - -
5. Микроскопические и субмИкроскопические напряжения • • - -
6. Литейные напряжения в отливках ........................
Б. Внутренние напряжения в отливняк при их термической обра-
ботке - - ..................i , .1.........
I Внутренние напряжении в отливках ори ях гИфеве в про-
цессе термической обработки ...................
2. Внутреннее напряжения в отливках при их охлаждения
в процессе термической обработки ..........................
3. Снятые внутренних напряжений в отливках при их термиче-
ской обработке .........................................
4. Внутренние няпряжения При механической обработке отливок
5 Практические методы измерения напряжевай...............
И* * В. Меры борьбы б МтЫнымн жапряиияяяиг и1 ехдинкы < - -4**»Н Л
1. Пластические деформации » рдлодные трещины в отливках
под влиянием напряжений ...................................
ОТДЕЛ ГРЕТИН
ss й g 8 « 3 § S ё g g £ « SSs S а § s g Ш 88a
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СТАЛИ, ПОДВОДА МЕТАЛЛА Н УСТАНОВКИ
ПРИБЫЛЕЙ ИА КАЧЕСТВО ОТЛИВОК
Глава XII Влияние состава стаяв на получение моровых отливок
А. Влияние сострва стали ва ее литейные свойства.............
1. Влияний сбсТава стати на жидкотекучесть и на первичную
кристаллизацию.........................'.................
2 Влияние состава стали ня угадку и связанные с ней явления
в отлиняах . - .........................
5. Влияние состава стали нй газовые и неметаллические вклю-
чения и ня ликвацию в отливках...........................
Б. Легирование стали Для обеспечения условий получения здо-
ровой отливки ..................... ........................
Классификация ста <• X..- оТтквоя
Глава. ХШ. Подвод металла в стальных отливках
А Расположение титниковой системы • - - ..............
1. ОШне условия подачи металла ив ковша Ж подвода его
к отливке...........-........... ........................
Полис- металла дл» обеспечения одновременного или направ-
тентог-о -затвердевания отливки - - - . - «............
3 Подвез металла сверху, сифоном Посредине ийи комбнваро-
..........................................* - - -.........
R Теорспнасхяе основы расчет» лмлпгквво* еявтемм -с • ‘ -ь-«
I. Расчет литниковой системы............................
2 Основы ра< ета собтйотпений размеров элеме1Иев лнткаковой
системы в зявнтнмости ОТ условий •эялирки • 413
Содержание
>ещнн - 297
......... 29?
............ 299
ковин, лих-
в стальных
скорости
(гх отливках
1жденни- -
икденнн -
кения • •
ской обра-
'реве в про-
299
301
301
303
304
304
308
312
316
319
319
324
332
334
335
336
337
337
340
343
317
347
3. Основы расче» оофвп зипа-жепия -фермы-, — • •« 422
4. Методы и данные расчета литниковых систем ........... 430
Г я а в а XIV. Усткиоик* прибылей и выпоров ва стальных отливках 434
А. Расположен» прибылей и выпорва 436
I- Общие угловая работы прибылей - 436
2 Местные прибыли ..................................... 437
3. Боковые прибыли 444
4. Потайные -прибыли ......- - - • - • 446
5. «Центробежные» прыбиап-лвтетелж • । - к в - - - • 454
Б- Методы уменьшении размеров прибылей и облегчения их отде-
ления от отливки ..........................1 '........... 454
Т Размеры прибылей удаление прибылей от отливок - - . 454
2. Уменьшение размеров прибылей изменением их формы • • - 456
8. Умксымееме раимером врибылеВ способом wmuKU ихи • • - - 457
4- Уменьшен» размеров прибылей регуаироедшем скорости
юхлаждеаип отлквкн и пребыли - - - ........ 462
6. Легкоосбнваеные лрмбьин . . ....... я^: ». 4Ь9
В. Установка ‘прибылей и гоПструкиля отбивок - Чг Т......... 471
I. Конструкция отливок в связи с установкой прибылей • 471
2. Установка ЛрйбЙлЙ Жя ЙииФрЛепйбЙО илй 1п1фавМйЛоЛв 1
затвердевания отливок в связв с их к«рс;7уутщае$ (,г 1' • • 472
Г. Расчет прибылей стальных отзтаво*........ 1 . . . . 481
I. Принципы расчета прибылей стальдах -отлнвОК 481
2. Методы к дм#**е расчета прттбыле'й • - • 482
ехлаждении
их термиче-
'• • ат Ф т-м»мж> Irailaii । . ИЛМкНй
ОТДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
тке отливок
и - .««и , i i; 447
i в отливках
............. 347
свойства стальных отлнвок и влияние на них состава
СТАЛИ
Остановки
мж ... 358
......... 358
а первичную
ней явления
........... 365
!ескне вклю-
........... 376
Мейкя здо-
t ....... 383
387
... . 391
-392
подвода его
........... 392
яти направ-
.......... 393
t комбиниро-
........... 403
Мд
п литниковой
............. 413
Глав^ XV Механические, специальные физические и химические свойства
стальных отлиак ... - '
£вй . 1, Me к« и кч р с-х.ре с д.т в с т.а ль н нас; Q т л и в о к 485
А. Моеаяичбскиё'свойства АМьй#*-ebifot* *Ф*^ыМх тем-
I. Статаческне механнчесяне свойства <галыщх отддаок 491
2. Дннзижчете иелэджческие свойства ^таяы/ы? отливок • - чув
Б Механические свойства стальных отливок пйб в*4кЬх“ повышен-
ных « высоких температурах -1 ’ - «ЧММ*. «г......
I. Темиры;pim уалоаая службы отлнвокн - . с-» t-<j •
2 Ближе тшп«(м»урм и грече» рв мехдан'Ч^ свойства
оттенок . . ..........................................‘
3. Мехаияческие сэойсг-л стальных етлнгхЖ цр* и^вЫшеиных
температурах . - - • ?.......
4. Механические свойства стальных БтлиВок при высоких тем-
пературах . .......... \ i’ll.......
5. Механические свойства отлмМЖ Н]гн низких-*«*п«ратур8х -
505
505
506
510
512
512
”. Г- - - - 515
. . 515
515
517
. 520
. 1
524
526
Ь26
530
530
534
537
А. Физические скойства поверхности стальным отливок
I Твердость гтальтйзх оУЛНэдк -./х.э » »..„<•
2 Обробатывпе«ость стальных отливок - гкжэав-
3. Изеос^утррвдстъ стальных отливок - -
Б. Объемные физические свойства стальных оттивоп - i. ,
1. Тепловые свойства Ста.ЧкнМ <ТгйНВ0к ** 1 “ •
2. Электрические свойства стильных отм»9к_«тл|1осЭ А
3. Магнитные свойства стальных отливок -«йямо • ’
В Химические свойства сыйыодх оййнок • -Ту
I. Электрохиикчесжая коррозия стальных отлйрОК
1 Хиенчрсква коррозия сталыод отливок 1
X Эрозия и кавцтаадч стальных отливов • -
Содержание
Г ля ва XVL Фисоаиое атч *з угжувдвспй спи 541
А. Свойства отливок из среднеуглероднстой стали 541
I. Садерясаа» углерода - 64
2. Содержание марганца и серы 547
3- Содержание фосфора - - - 551
4. Содержание аремявя и алюминия ....................... 555
5. Свойства и применение обычной среднеуглеровистой стали
в отливках ........ 556
Б. Свойства к особенности яжвтовленвя отливок на ннакоуглеро-
дястой «кавальной стали ----- - - •
I. Состав и свойства отлжок из ннзкоуглероднстой стали
2. Особенности азгогомвмжя отливок ив инэкоуглероднстой
стали в свази с ее литейными свойствами ...................
559
559
562
В. Свойства и особенности изготовления отдалю* вз высокоуглеро-
дистой специальной стали........................
1- Состав я свойстве оглжок ва выслоуглероднстай стал» - - •
2. Особенности изготовления отливе* из высокоуглеродистой
стали в связи с ее литейными свойствами -
Глава XVII. Фасонное литье из кремнистой к марганцовистой стили 569
1. Отлив хм вз «решиис той стали 66®
А. Свойства отливок из ннэкотегиронапной кремнистой коиструк-
цконзсй стали . ....................
I- Свойства ot-vbok н» лнахоуглеродистой кремнистой стали - - WJ
2. Свойства отливок из высокоуглерод истой кремнистой стали 573
Б. Отлжхя *з средаелеолрованвой кремнистой стали со спецм- р
альными фиэическши и хшнческкми свойствами -
В. Отлежи из высоколеоврояииюй хфвиИистой стиля со спеин-
альньвщ. хианпесзфцс-. свойствами * , ' «ДТЭЯОЙ i
Г. Особекюсти иэготов.кяия ртлавох нз кремнистой стали в связи
с ее литейными свойства»™ -..........-..................... 578
1- Жндкотекутестт. жристаладалия кремнисто! стали 578
2. Усадка и связанные с ней явления g отливках зер кремни-
стой стали .................................... .......... 580
3. Рост отливок на кремнистой стали и гсэотые риковипы в них
U. Отливки и» марганцовистой стали - - 583
А. Свойства отливок из яязколегироеляной маргаягповнстой конст-
рукционной стиж ..- 58*
I. Отливки из чисто маргаяювйстой стаж................ 58*
2. Отливки а» миргаиювястой стали. л?гнровамгой здполнн-
телышын элементами - - ... 589
Б. Отливки из среднелегированной ылргищжясто* конструкцией-
ной стили, обладающие специальным» физическими свойствами 595
В. Отлишсн из высоколегированной маргянповой стали со спеши-
ильными физическими свойствами................... 595
1. Отливки ня высокомарганцовой стали Гадфильдв - 595
2. Отливки на стабильной высокомаргаицовой стали.......... 600
3. Вляянде конструкции отливки ня выбор состав^, высокомар-
ганцовой стали - ........... 604
Г. Особенности изготовления отливок из няргиНцовистоЙ стали
в связи с ее литейными свойствами................. - - - 606
1. Жидкотекучесть и кристаллизация марганцовистой стали - - - 606
2. Усадка м силаняне с пей явления в отливках на марганцо-
вистой стали ... - 6Ю
Глава XVIII. Фасонное литье на никелевой хромистой стали 617
I. Отливки из внкелевой _ста л к - . .. 617
А. Свойства отливок т низколегированной никелевой конструхнк-
ониой стали ........ ........................... £19
1. Отлявкя на чисто вакедевой стали- 619
2 Отлжкв из нмакалегнровавной яикелемиргакцовистой кон-
струкционной стали - -.................................... “21
3. Отливки из яикеле»юлибде«жой янэко.тегироязтрюй коиструк-
шюявой стали ... .......... 622
1
Содвршячш-
гой ста те
экоугаеро-
гали
КфОДИСТОЙ
экоуглеро-
сталн
геролнстой
л*
комструк-
1 стали • -
той стали
со спепн-
541
541
*4 F
547
551
556
559
539
562
563
563
567
569
569
570
571
573
574
со спени-
... 575
। «аг 1ноя .
ЛИ В ГВЯЧц
в кремня-
578
578
ЯИНЫ В НИХ
580
582
ГОЙ хонст-
цупоЛИИ-
584
584
589
струкцион-
свойствамн
595
со спеин-
•ысокомар-
595
595
600
604
гой стали
марганцо-
606
606
610
617
617
ояструкпи-
стой «оя-
619
619
коиструк-
621
4. Отлнвся ва нпелеваиадмевой 1игзкплегяво ванной .конструк-
ционной стала J • - .......... 621
В. Отливки из среднелегврованной никелевой конструкционной
стали со специальными физическими и химическими свойствами 625
В. Отлиани нд аысосояетвровавной нйхелево! стам со специаль-
ными физическими п химическими свойствами ... 628
1. ОтТнвкн из высоколегированной никелевой стали мартенсит-
ного класса со Социальными хим#' ими свойствами - - - • 628
2" Отлялки из высоколегированной йш левой ста. [у аустенит-
ного класса со специальными физическими и химическими
свойстваия............................................... 629
3. Отливки из юсоколегвроаанной ^зикелевой ртали.^ ерлавы)
cb Спбцмльп'ыми физическими свойс^а^,
Г. Особенности получвния от ланок из шкалевей ите.те т/ связи
с ее лпейнымг свойствами ............. 632
I. Жииотяку«есть а крхсталлнэвция вакг.теаой ст»ли в отлив-
ках - - - ........... » ..................... 632
2. Усадка и связанные с ней явления в отливках из никелевой
стали 634
II. От-лдвжи мэ хромаете* стал* 636
А. Свойства отливок яа неэко.тагароеанпой- хромасхай конструкци-
онной стали......................................... г 636
I. Отлввкя на чисто хромистой стали . 636
2. Отливки из конструкционной низколегированной хромомолиб-
деновой, хромойуналдевоЙ м хромоволъфрамовой ста ж......... 640
Б. Отливкя из среднелегнрованной конструкционной лрданстой
стали со специальными физическими и химическими свойствами 642
I. Отливки из срелпелегированкой ^инструкционной хромистой
стали, обладающей специальными физическими свойствами - 642
В. Отливки кз высоколегированной хромистой Стали со специаль-
ными физическими и химическими свойстваия. - - 646
I. Отливкя из высоколегированной хромистой стали............. 646
2. Свойства отливок из ферритной высоколегяроххлной хроми-
стой стали 649
3. Свойства отливок аэ «еолуферретноЙ» виеокояегяроваиной
хромистой стали ........... 651
4 Свойства отливок нз мартеЯсятяой высонолегироеанной хро-
мистой стали.............. . ............-........... 651
5. Свойства отливок на ферритно-карбидноЙ и ледебуритной
высоколегированной хромистой стали 655
Г- Особенности изготовления отливок из хромистой стали в связи
с ее литейными свойствами.................................. »60
I. Жидкотекучесть и кристаллизация хромистой стали......... 660
2. Усадка и связанные с ней явления в отливках из хромистой
стала 663
Глава XIX. Фасоиное литье из хромоникелевой и имкелехромястой стали • - 666
Отливки настали, легированной хромом и ни-
келем . 666
А Свойства отливок нз низколегированной вакелехромистой
н хромоникелевой стали .... 668
1. Свойства отлявок из чисто никеле хромистой к хромоникеле-
вой стали ... - - 668
2. Свойства отливок кз иикелехромомол1Х5деновой стали . . 674
3. Свойства отливок на яниелехромомаргвицемолибденовой
и других марок комплексной стали на базе никель—хром 677
келеы стали со специальными физическими и химическими свой-
ствами ....... 678
В. Свойства отливок нз высоколегированной хромоникелевой
и нике.техромнстой стали................................... 679
1. Отливки из рысоколег. роняпной хромоникелевой и ннке.те-
Ж инетов стали - - - ................ .... 679
1Йства отливок на кислотоупорной ыетастабнльной аусте-
нитной хромоиикеленой ста.* на базе 18Х Сг я 8% Ni • • • 680
622
10
Содержания'-
3. Свойств! отливок из кислотоупорной и жаростойкой стали
на базе 25Х Сг, метастабнльвой аустенитной стали 25/12.
ста&мь«о-аустея?тной 25/20 м ферритно-аустенитной 29/9
<н 25/5 . . ............ .............................. 694
4. Свойства отливок из кислотоупорной и жаростойкой нике-
лехроьистой стабнльаю-аустевнтаой стали 8/18 ............. 700
Г Особенности Изготовления отливок из .хромоникелевой и никеле-
хромистой стали в связи с ее литейными свойствами........... 701
I. Жидкотекучесть и кристадлкзацдя стали, .тегированной хро-
мом и никелем............................................... 701
2. Усадка стали, легированной хромом и никелем, н связанные
с ней явления в отливках.................................. 709
Глава XX. Фасонное литье из молибденовой, ванадиевой, вольфрамовой,
титанистой медието! стали . - ... 712
А Отливки из молибденовой стали - . ............... 712
I. Свойства отливок из молибденовой стали..................... 712
2. Особенности изготвелення отливок hi молибдевояой стали
в связи с ее литейными свойствами.............................. 715
Б. Отливки из ванадиевой стали................................... 716
1. Свойства отливок из ванадиевой стали....................... 716
2. Особенности изготовления отливок на вана.тиевсА стали
в связи < ее литейными свойствами - - . 718
В. Отливки на вольфрамовой стали ... 718
1. Свойства отливок из вольфрамовой стали............‘........ 718
2 Особенности изготовления отливок из вольфрамовой стали
в связи с ее литейными свойствами - . - 723
Г. Отливки из титанистой стали ............... 726
Свойства отливок из титанистой стаэд и особенности их
изготовления .......... 726
Д. Отливки из медистой стали - 727
I. Свойства отливок на медистой ста «и....................... 727
2. Свойства отливок из низколегированной конструкционной ме-
дистой стали ............................ 730
3. Свойства отливок из высокоуглеродястоВ медистой, в также
из средне- нысоколегиро иной медистой стали.................. 737
4. Особенности нзготонл-ння отливок из медистой стали в сиязи
С ее литейными свойствами 740
Указатель литературы 74§
Предметный указате зь 754
700
701
701
709
712
712
712
715
716
716
718
718
718
723
726
726
727
727
730
737
740
746
754
i
4
I
I
ПРЕДИСЛОВИЕ
В предисловии к курсу «Стальное литье», изданному в 1931 г.,
ргыечалось, что производство здоровых отливок есть прежде всего
наука, а не искусство Теперь когда наука и техника в нашей стране
достигли высокого расцвета .в результате осуществления политики на-
шей партии и правительства — проведение эт^й идеи в курсе приобре-
тает еще большее принципиальное Значение-
Решение этой задачи облегчается тем, что любой курс по литей-
ному производству, связанный с наукой о литье металлов, должен
Датироваться на физико-химической, металлургической н металловед-
ческой основе Кроме того, такой курс должен содержать определен-
ные практические данные чтобы отвечать и на вопросы «почему», н на
вопросы скак» нужно осуществить те или яные мероприятия длят- полу-
чения здоровых отливок
В кнв*е рассматриваются вопросы изготовления стальных фасон-
ных отливок и отчасти слитков. Наряду с этим освещается ряд прин-
ципиальных вопросов общего курса «Теоретические основы литья метал-
лов» (первый й второй отделы, а также частично главы ХШ, XIV, XV),
на базе которого строятся епецналнэнроНнйые курсы! «Чугунное
ЛИ1ъе», «Стальное лятье» и «Цветное лнтйе». Содержание и объем
книги определяются, следовательно, двумя курсами «Теоретические
основы литья металлов» и «Стальнбе литье*. чятаемими в течение трех
семестров.
Объем книги определяется и тем, что курсы по специальным дис-
циплинам, формирующим специалиста н читаемым на последних семе-
страх, содержат обычно много примеров из првктики.
Подобные курсы могут поэтому служить пособием для научных
работников и производственников и в известной мере являться моно-
графией по соответствующим вопросам.
Однако для сокращения объема и облегчения студентам изучения
курса пришлось значительно сократить различный справочный мате-
риал, особенно по свойствам отчивок из легированной стали Для того
чтобы не загромождать курса излишней детализацией литературных
данных, оказалось необходимым ограничиться ссылками на работы
преимущественно принципиального характера по литью металлов, а так-
же на те труды, которые содержат большую библиографию (в указа-
геле литературы эти труды обозначены звездочкой). При таком методе
использования литературного матераала автор был вынужден прибег-
нуть к ссылкам непосредственно в тексте на некоторые свои личные
работы.
12
Предисловие
Изложение курса построено с учетом взаимной связи, возникнове-
ния н развития различных элементов процесса получения здоровых
отливок. В частности, изхчение всех этих элементов производится
в свете взаимного влияния меняющихся свойств металла и формы
и кинетики соответсгв}ющих процессов.
При этом не проводится принципиального различия между усло-
виями получения отливок в. песчаных и металлических формах, по-
скольку это различие сводится главным образом к условиям изменения
гёмЬернтур отливки во времени, т. е. к различной скорости охлажде-
ния. Можно полагать, что при широком обобщающем анализе условий
получения отливок следует использовать в качестве основных парамет-
ров именно температуру и время. Ояи определяют по существу не только
любо# металлургический процесс, но и критерии оценки свойств
металла.
Кроме того, в курсе, в разделах опре -ления состава стали, в зави-
симости от назначения и условий изготовления отливок, проводится,
В пределах возможноств, идея выборв состава на основе расчетных
или обобщенных првнципиальных положений, а не ив основе различных
.эмпирических данных.
Для создания научной базы литейного производства требуется еще
огромная работа. Данный труд является лишь небольшой ее частью.
Нет ({рмнения в том, что эта работа будет проведена различными совет-
скими учеными и техниками, которые смогут использовать имеющиеся
в нашей стране безграничные возможности для научного творчества.
Прцношу глубокую благодарность рецензентам академику
А. А. Бочвару и члену-корреспонденту Академии Наук СССР М-М. Кар-
наухову за их ценные указания, профессору кафедры «Литейное яро
изводстно» Ленинградского политехнического института им. М. И. Кали-
нина доктору технических наук Н. Г Гиршовичу за помощь при созда-
нии книги.
ВВЕДЕНИЕ
н
Получение мдделмй различной сложиой мовфагур«ни путем фаевнной еЯПивкн
известно человечеству с незапамятных времен, Лнтъеи металлов ааиимнлись ещ*
в древней Руси. Уже в былинах упоминается о «вмице тяжкой медяелмтноЙ * три-
ста пуд». В 1067 г. в храмах Новгорода били уетановлеяы литые ьллекола, в при
Иване III изготовлены первые литые пушки. Уже тогда московская артиллерии была
самой мощной в ыире. Известно, папример, что имел императора Млксямкхнана II
Кобенцаль доносил .ему i[la|.
великий кпвь московский имеет В изобилии веяного роДа оружие, а огне
етрельаий «вряд такой, что кто не видел его, яе поверит описанию ... у русски»
всегда наготове не меньше 2000 всяких орудий».
В 1554 г была отлита чугуниан пушка калибром 26" (650 мм}, а в 1620 г. зна-
менитым «лнтцем» Андреем Чеховым — «царь-пушха» весом 2400 пудов (~40 г).
Даже в таких небольших городов, как Ростов Великий, в то время ужели уже
сттивать известные всему миру колокола с «ростовским звоном». Там же в 1689 г.
был аддмт внамешпый молодая «Сысой» мясом 2000 пудов мастером Флором Терен-
тьевым, । |
Русские мастеровые — литейщики тже я те жалекое время по своей кваляфи*-
нации не только не уступала мюетрааныи мастерам, ко превосходили их свонк ио
кусствоы и смелостью творческой инициативы В '.том отношении интересно свиде-
тельство Павла Алеппского в яго известном сочинении-описании «Путешествие ион
стантинопольскогр Датрмарха Макария в Россию»
«.. царь Алексей Михайлович для литья колоколе в 8ЙОО яд вызвал мастеров
и» Австрии. Они попросили у вето в лет сроку, чтобы его имотоиить, ибо, кек
потом нам пришлось видеть, труды по его явгвтоалеляю и приспособления, для Store
требующиеся, весьма велики н безечвтны. Но ятжлея к царю мастер мэ переживших
моровую язву, моложе 10 лет. малого росту совсем ещв йвбородый Он просил
сроку только едки год ... Царь очемь обрадовался и дал ему помощь отряды
стрельцов .. Ок сдержал свое слово наготовил колокол ранед срока.
Шедевр русского литоймого яса усстоа—«царь-колокол» веент 12000 пудов
(~ 200 г) и был отлит в 1734 г. Иваном Материным Непревзойденная во веем
ыире во красоте статуя «Меджжо всадника» была отлита в С -Петербурге в 1782 г.,
причем подготовительные работа вились 6 лет, отлимка н чеканка 2 года. Эта статуя
является не только художес 1 веяв им, -ио ничесятм шедеврбм так кек при весе
в 1350 >\ато * высоте W ж имеет небольшую и жеяяющуюся толщину стенах-*-*-
от $ мм в головной наста коня да 36 ж» в крупе н в хвосж (нижняя часть йвостл
и змея цельные). Такое распредел«ае металл яеобкодшю было сделать, чтобы
придать устойчивость статуе (потоижть ее центр тяжести). Полудить тадую отливку
здоровой является весьма сложной технической звдачей и в наше время.
Первые настоящие стальные отливкв были случены лишь в середине XIX в.
почти одновременно в различных страдах Европы. Уже в 1866 г. А. С Лавров н
Н В Калжуцкжй в своих работах ‘'а, не имеющих, во еяцдетельству Д. К- Чер-
нова1 2 * «...вачвге себе подобного де только в русской, по к в ивоетрвняой литер
туре..», дали глубокий алалжз ряде основных условий получения здоровых стильных
отливок к впервые открыли явиеие ликвации стали н механизм возникновения уса*
дочжых я газовых раковин, а тякже адутренних напряжений ж отливках
Из мартеновской стали первые фасонные отливки в России были получены
в 1870 г. известным пионером мяртшювекого производства А. А. Изнескоеым на
первой русской 2,5-т мартеновской пеня в г. Сормове Эти отлипни были настолько
иорпин по ачеству, что демонстрировались в 1870 г иг Всероссийской выставке
в С.-Петербурге.
1 А, С Лавров, О првготовлепни стальных орудий. Артиллерийский жур-
нал», 1866, № 10. 505; Л» 11, 555. 4
2 Н. В. Катакуцкий, Материалы длд изучения сталыша орудий. «Артил-
лерийский журнал», 1867, № 5, 7, 9 н 10.
’ Д. К. Чернов, Критический обзор статей гг Лаврова и Калакуцкого
о стали я стальных орудиях и собственные Д. К Чернова исследования по этому
же предмету. Записки Ими. Русск. Техн. Рб-ва, 1868. июль, 399.
14
Введение
Достижение такого качества явлвлось большим техническим успехом, так как
получаемые в то время отливки всюду характеризовались высоким содержанием
углерода, (опта не ногти еще достигать в печах тех высоких температур, какие не-
обходимы дли выплавки низкоуглеродистой стали. Не мости тогда также надлежа-
щим образом раскислять и успокаивать сталь, вследствие чего крепкие и хрупкие
отливки были часто поражены еще и газовыми раковкиамн.
Лишь с 1875 г. в Европе и с 1876 г. в США. когда появились основные мар-
теновские печи, разрешилась проблема получения больших количеств горячен мягкой
™ли с достаточно низким содержанием серы и фосфора. При этом, уже в 1878 г.
А. К. Чернов в своей получившей мировую известность работе «Исследовлняя, от-
носящиеся до структуры литых стжтьчых боявандк» четко установил влияние крем-
ния на получение беслузырнстой ствлн для фасонных отливок.
Отдельные русские тпливтливые ученые и техники того времени явились Пионе
рами и новаторами в различных областях промышленности. Они сумели не только
практически решать сложную проблему производства стали и ковваых и з^йтыХ изде-
лий, ро ч спадать впервые в ияре ряд научных работ, осветивших эту практику
и «амстивш1и дальяейшке пути раввнтая соответствующих производств.
Широко известны работы освовоположтка, «отца металлографии» Д. К. Черт
нова, впервые создавшего науцу о превращениях в сплавах, об их кристаллизация7,
структура и свойствах. Описывая условия, в которых проводились эти работы, и
значение труддо своих совремеваиков и предшественников А С Лаврова и
Н. В. Калакуцкого, Д. К. Чернов говорил'
« . нам тяжело было... сряжу поставит!, у себя это (сталелитейное. -- Ю. Н.)
дело на прочную ногу, нам нужно было по всего добиться самим, а потому всякое
С4ОВО, проливающее хотя бы частицу света на ям нм ющнй нас вопрос, каждая
кащд, вноевмал в общий улей, лояжпы быта май нее дпротж ...
ваша литература должна гордиться трудами гг. Лаврова и Калакуцкого;
они первые указали ва распределение пустот в литых стальных болванках >[ зави-
симость ид от обстоятельств плавки в литья — распределение влотностей самой
стали в различны* местах болванок и неодинаковость ее химического состава ...»
В дальнейшем ва равннтш; науки о литье металлов огромное влияние оказал*
работы вннмеяйтых русских мета.глургоп — А. А, Байкова, М. А. Павлова.
В. Е. Грум-Гржимайло, В. Н. Лишив, Н. И. Беляева, а также М. Г. Евангулова и др.
Но особого расцвета лмтейное вроияводстно и его -научная база достигли после
Великой Октябрьевой совналкстаческой революции когда начали развиваться рабо-
ты мощцых коллективов советских ученых в техникой выемнх учебных заведений,
нжучжо-всследовггельских институтов и передовых ва водой. Появились новые школы
металловедов в литейщиков — академиков И. Т Гудцова, А. А. Бочвара. спепнвль-
ннх кафедр «Литейное производство» Ленинградского политехнического института
нм. М. И. Калинина, Московского высшего технического училища им. Баумана
Уральского политехнического институте мм С. М. Киров* Московского киепттута
стали «с И. В. Сталин* и др.
Возвращаясь к аиланзу исторических успений ж>дъема производства стального
литья, нужно отметать, что особый импульс в 70-х годах в России дало развитие же-
леанодорощногр транспорта, наиболее крупного потребителя ствльяогб литья еще н
теперь (см. етжтастичесжяе ШИе на стр. 23). В эта и последующие годы:
«Железным дорогам требовалось огромное поличестиа Металла (на рельсы,
виргмозы. вагоны), требовалось все больше топлива, каменного угля и нефти. Этб
правело и развитию металлургии н топливиой промышленности» *.
В связж с этим сравнительно молодое производство фасонного стального лвтья
ствло бурно развиваться. Уж» в 1878 г. начал применяться отжиг отливок, вначале
вместе с формой. Все время проводились многочисленные работы по исследованию
формовочных метериалов. В результате были получены разнообразные составы сме-
сей в зависимости от неотиых условий Известно, нзпрныер, что в 1883 г в России
и в Герыаянк вспольэовалси просушенный кварцевый песок из Финляндки, смешан-
ный с 2—3% глины, размолотой в муку Появляются первые «пецифякапви ж реко-
мендации соствйов стели для отлявок. Уже В 1892 г. валивали обычные оТтмвки на
стали с содержа наем 0.4—0,6% С; боже ответственные и» стали -с углеродом нс
выше 0,4% *8 отливки, подвергающиеся ударным нагрузкам, на стами с 0,2% С.
В 1899 », были изготовлены уже крупные отливки для суде* (ахтерштевпи) ве-
сом ешыше 35 т. Достигнутый широкий по весу я н вначеиию ассортимент отлинок
привел к изобретению специальных плавильных агрегатов.
В 1885 г. появились конвертеры малого бессемерования. Оки даввлн для мел-
ких отливок сталь высокой температуры малыми порциями. Одна и» первых таких
установок была произведена в Петербурге на Невском судостроительном заводе
(ныне Невский машиностроительный завод им. Ленина"). 1ПЛ1-
Поеьппеяве требований к качеству стальных отливок вьвзаало с 1906 г. при-
менение дуговых электропечей. С каждым годом применение электростали для фа-
конвого литая пржобретало все большее значение.
« История В.КЛ.(б», краткий курс, 1938. 7.
Введшие
15
В освоввых дуговых электропечах начали получать металл с твУнм таким со-
держанием фосфора и серы, которое недостижимо в стали малого бессемерования.
В результате конвертеры малого бессемерования были вмтеснены электропечами.
Однако худшая жидкотекучесть сильно раскисленной и чистой основной элек-
Троста ли, а также худюте технике-эконсыическяе показателя ее производства по
сравнению с кислой привела в последнее время к большому развитию кислой элек-
тростали Дашь для «еготорых особо отеететвемых и тонкостенных отливок. Тре-
бующих сталь с очень киви™ содержанием фосфора к серы или с некоторыми ле
нруюшвми элементами. предпочитается плавна в основных дуговых электропечах
Б последнее врвгя арочесс малого бессемерования вновь качал завоевывать
утеряанме ранее позиции в производстве мелкого и среднего литья. Были прове-
дены большие усовершенствования в процессе Плавки- в -вагра»аге получают -синте-
гическяй («яскусстеевный») чугун «а шихте е 75—90% ствлыного лома, что обеспе-
чивает вязкое содержание фосфора ; обессеривания чугуна до 0,03—0,05% S дос1
гягаюг добавленаем соям в ковш перед продувкой плн но время плавки в вагранке
с работой на всканых шлаках (до 50% СаО) при основной футеровке (на стабилж
зированаого доломита) н лсмогретоаа дутье: продувку захандавают по фотоэлементу.
Особо целесообразным для массового лронаводетва мелкого и среднего литья
овазажя тржьвекс-вроадссг вагранка малый бессеыер — амелия илв всНоеная
внектропечь.
В 1920—1930 гг. Вля фасонного литья из высоколегированной стали (кислото-
упорной, жаростойкой и т. п.) иичели применяться индукционные лечи высокой час-
тоты без сердечяика. Благодаря легкому достижению раэнсшерной и высокой темпе-
ратуры во всем объеме металла и минимальному угару, несмотря иа форсированный
ход плавки — высокочастотные «гейи с кислой футеровкой получили весьма быстро
широкое и почти некяточятетыюе применение для отливок из высоко легированной
стали,
Ь период 1920—1930 гг. работами различных исследователей, ученых и инжене-
ров начала подводиться углублен пая научно-техническая база под производству
стального литья, отлнчевшееся ранее преимущественно усиьхо производственным!i
навыками н искусством персонала.
Были исследованы различные формовочные материалы я установлены физнко-
•механические показатели смесей, организован контроль их. Начала широко приме-
няться зымка в сырые формы вместо сухих. Это потребовало внедрения не только
(высокого качества формовочных смесей, ио и прмеепения специальных литниковых
систем и прмегюообленнй при раздавке (чеЬяжовые ковши). В последнее время эти
работа получают дальнейшее развитее в части определенна фнаико-мехамчесжвх
показателей смесей при высоких теаадаратурах м в услсмхх воздействия жадной
стали. Нжгалн также применяться новые формовочные материалы (цемент, маршал-
лит—молотый кварц, дунит, магнезит) в в последам врени минерал циркон2.
В качестве связующих добавок глина заменяется бентонитом, оргавическве добавки
и дефицитные масла — сульфитным щелоком и различными еннтетнчеекнмп крепи-
телями.
Советские техннкм веялись новаторами • разработке, введрвяии И м у мои обос-
новании методов заливки стаяв т металлические формы (кеквли). Эти работы в СССР
проеедеяы в масштабах, оставивших далеко позади аналогичные исследования яа |ру-
бежом. заработанные методы прдаввбтсЧев кскЯЛъКЫх сгалывах отливок сыграли
известную роль в интенсификацмй и упрощежвг соответствующих пронееодстн во
время Великой Отечествен кой войны.
В последние годы в СССР были теоретически обобщены условия получения
здоровых отливок и детально некрыт механизм образования усадочных раковин,
трещин р напряжений, газовых ранения и неметаллических включений. В результате
резко повысится выход годного как вследствие общего повышения качества (умень-
шение брака), так и уменьшения расхода жидкой стали на тнтники и прибыли.
В Советском Союзе предложены и используются новые методы работы прибылей от-
ливок под повышенным давлением, методы установки и расчета потайных, легко-
отбивиемых и сферических прибылей.
В период 1930—1940 гг были широко исследованы различные марки специаль-
ной стада для фасонных отливок, что позволило резко расширить область их приме-
нения. Были введены вместо простого отжига более стожные процессы термической
обработки, в частности закалки в воде отливок весом до 40 г. Это позволило вна
«тетьяо повысить свойства отчдаОк не только из легированной, во и из простой
1 Этот процесс впервые был осуществлен в СССР на Невском заводе
ны. Ленина в 1924 г„ ем. Б. П. Се- пвавов и Ю. А. Нехендэи «К вопросу о получе-
нии синтетического чугуна в вагранке*. Металлург, 1923, № 5.
= Естественный силикат циркония, достаточно мелкозернистый (50% проходит
через епто № 100-140), с термчесиш расширдавем, 3 раза ыеныдаы, чем у обыч-
ного кварцевого песка, а с температуропроводностью значительно большей, что
позволяет его прженять иногда в рода веружвого холодильника.
Введение
yj-чероднстой стали. Кроме, сото, а -СССР, вгервые мире, были получены и иссле-
дованы фасонные отлижи из чшродиолегировашкв хромоникелевой стати.
В период индустриализация в СССР достигла особого размаха мехиЛэяция
процессов изготовления стального литья. Стальное литье начали нзготовиять на
формовочных машинах, включал пескометы, с применением конвейеров для заливки
сырых форм. Таной метод производства обусловил лея точную пойму единых формо-
вочных смесей, выбивку отливок ва решетках при температуре 1000—1100°, транс-
портировку чх охладительными конвейерами в очистное н обрубное отделение в т. д.
В результате столь широкой к смелой мех анизо инн сталелитейные цехи многих на-
ших. машммостроительных заводов-гигантов. построенных в годы сталинских пЯтп.те-
тцк,. являются хю пронэвоштельности крупнейшими в мире
В 1029 г, в начале первой штялеткн. выптк стальною лятеи и СССР была во-
семь раз меньше, чем США, и СССР находился тотдн на третьем месте в Европе.
Оддаао уже в 1936 г. выпуск стального литья увелпчвися в три раза, превысил
600 тыс. г, н СССР вишен на первое место в Европе. К вачалу Великой Отечест-
венной войны производство увеличилось еще более, в СССР по фактическому вы-
пуску стального литья вами первое место в. мире, имея впереди себя США тольво
по пртеямиальаым их воаможаостам.
Посладже годы раздмгтмя производства фасонного стельного лвтьи характери-
зуются болышв» ростом выпуска опивок из зепировашюй стали. Для иллюстрации
можно указать, что в США, например, ва 10 лет выггуск оттимис из лет.ирсяинной
стали повысился с 7 до 21%, несмотря ш абсолютное умеиъшешю выпуска из-за
кризиса. Эго же соотношение сохранилось « при резком понышеннц выпуска в п»т
рнад второй уиррвой войны, табл. 1
Намеченное ваконоы о пятилетием плане восстановления и развития народного
хозяйства СССР на 1946—1950 гг. увеличение мапишостроеиии н судостроения
в два раза, большое развитие железнодорожного н автомобильного транспорта
и всех других отраслей народного хозяйства по сравнению с довоенным уровнем —
предопределяет н соответствующее зчЧчнтетьное повышение выпуска лнтья из обыч-
ной углеродистой и тегирова1.....1г стл.и. Уже во втором году сталинской послевоен-
ной пятилетки СССР по выпуску лнтья нз различных марок стали вновь вышел
на первое место в Европе
Характеристика свойств н производства фисовиого стильного литья
Производство стального лктья сьжрело большую роль в развитии соврелягвиото С*
ммоиюстровиия Оно дало конструктору матернчл, способный к вьлкьшежгю н обра.
зоваяйо смык сложных форм поФги в такой же мере, как и чугун, слииефвмеинп
ЛЬэммия «юлуХйггь внделне с более высоким* сиойставипг *
Перед коваными гт штампованными ладе линии и чугунным литьем стальное
литье •имеет еле-дующие пренЫушестм;
1) ср Muni ильную рлвлоиериость строения в различных частях втлтеки и благо
дара этену равномерное сопропвлеяне деформацией;
2) распределение металла в различных частях изделии. облегчающее ,полу-
Челме иинияльного тесл копструкаюг при удовлетворении требуемых мехам^екнд
сврйетвт
Щ дястмжаше мнопк фтчеехкх хвдичеехих свойств издания. иногда даже
болев вьккжаи чем я егшпммк изделиях, получешнх путем пластическом обработку
4} возможность упрощенной « дешевой мехамиесвв» обраФэтч», так кал own
на имеет размеры и хонфагурдцию, болюс праближеюшмеся к готовому изделию,
чем поковка,
5) хорошую свариваемость, позволяющую получать сложные по конфигурации
-изделгя комбинированным путем на свэршх и детых элементов конструкции;
6) возможность массового -производства с высокоразвитой механизацией и nt£-
лучунмем наделяй с идеятичныма размерами к свойствами:
71 рентабельность производства н даже дешеаизву его в ««которых ус ювия
Эти преимущества, в особенности при получении изделий сложной формы, часто
предопренвляют замену вовавых нлн штампованных стальных деталей литыми. Воз-
можность же обеспечения более высоких свойств. тучшеЙ зисплоатании к облегчения
леса конструкций предопределяет иногда замену чугуна и цветных сплавов
Часто решение вопроса об изготовлении изделия путем стильной отливки опре-
деляется ве столько зкоЕомяческнми, сколько чнего технологическими соображения-
ми. Примером может служить изготовление тапочной рамы Паровоза.
Из.аа отсутствия ыериого проката въ^рвыватся брус 75X100 мм и затем
выгибался пр шаблону Концы бруса сваривались. Несмотря ни принятые меры, в ме-
стах сварки все же «зблюдались дефекты Кроме того, вследствие высокого и длгг-
.тельного нагрева при св кс. рама получалась обычно покоробленной. Требовалась
большая работа но ее правке. Изготовление ремы путем бтиивкк (рис. 251) дало не
только большой экономический эффект, уяростк.те и ускорило производство, тм й
улучшило качество.
Введение
юл у вены н иссле-
й стали.
«аха механизация
и изготовлять на
[еров ДЛЯ ЗВЛНВКИ
чу единит формо-
000—1100°, транс-
1 отделение и т. д.
цехи многих на-
га лииских пВтите-
в СССР был но-
и месте в Европе
я раза, превысил
Великой Отечесг-
фактнческому вы-
себя США только
литьи характер*-
Для .иллюстрации
[ кэ легированной
ю выпуска из-за
над выпуска в па-
аэвития народного
и судостроения
ьвого транспорта
денным уровнем —
га литья из обыч-
(ннсной послевоей-
тали вновь вышел
ого латьа -к.
с!
итиж соеремежжх'о
япхжгению и обра.
гун одмовремеяшо *
литьем стальное
: отлшва д благо-
блегчающе* пояу-
мых мех*я<че»жи
мия, иногда даже
нческой обработки;
«и, так квх отлав-
отовоыу изделию,
по конфигурации
инструкции;
еханизацией и не-
которых условиях.
4 ной формы, часто
алей литыми. Воз-
аоии и облегчения
»• сплавов.
.ной оттивки опре-
чнмн соображения-
оза.
х. 100 мм и затем
гннтые неры. в »*е-
е высокого и дяч-
лнпй. Требовалась
(рис. 251) дало не
ронзвеясгоо. *0 И
И
Ведения
Стальная отливка может »еть технологические «реимущества также во срав-
нению с изделиями определенной «юнфигурацин, получаемыми путем пластической
обработки Напрвмер, литой стальной снаряд имеет преимущества перед штампо-
ванным снарядом не только экономические, но н технологнческие._
Такне спаряды. залитые с черной необрабатываемой каморой, е готовым ожи-
валом, прямо поступают на механическую и термическую обработку. Литые
снаряды ве внеют текстуры, т. е вытянутых при штамповке в одном накраелагнн,
вдоль пуансона, кристаллитов В донышке литых снарядов нет ликвацнонкш зон,
наследства «рушило слитка. Безразлично ориентированное строение литого снаряда
обусловливает равномерные механические свойства его в различных направлениях
и в различных частях В штжюваяных снарядах свойства стали, особенно пластич-
ность, вдоль деформированных кристаллов более высеки, чем в литом. Но в попереч-
ном направлен!». особенно в дне, они ниже. В результате деформация у неясна при
выстреле получается у пятого снаряда часто меяыпей, чем у штампованного.
Осколочное же действие литого снаряда всегда выше. Осколки получаются -равно-
ыернымд округленной формы, с лучшими баллистическими свойствам, чем у нерав-
номерных, вытягутых осколков пгтмюваиного снаряда. Специальные исследования
подтвердили это положение и для литых стальных мин (си. ркс. 279).
В некоторых случаях ковка н штамповка снижают качество изд ел ня । Это
особенно ярко может проявиться в таких изделиях, как шестерни, валы и т. п.. если
деформированные «хиоыа. перерезаны зубцам* (в шестернях), щеками (в ватах).
Ниже отмечается возможность сочетания положительного влняжя ковки на ляшн-
дацню межкристаллитных пор (основного дефекта литой стали) с главным до-
стоинством отлнвкн—однородными свойствами (из-за отсутствия текстурм). Эго
осуществляется в последнее время прммяеияем яеболыпой проковки фасонной от-
ливки в штампах. При этом никакого формоизментиия изделия уже не получается,
происходит только уплотнение. Технологические преимущества отливки без венкой
проковки иллюстрируются практикой изготовлении литых коленчатых валов.
Чем выше прочность стали, тем более чувствительно изделие, работающее при
переменных нагрузках, к состоянию своей поверхности (чистота, гладкость) и особен-
ностям кжетрукдиы (ковцвнтрацвя яалряжевий в острых углах и т. о.). Поэтому,
напржер, штампованные валы для двигателей, в частности автомобилей, подверга-
ются очень чистой механической обработке, включая штифопку и полировку. Не-
смотря на это, дайствктельное нварижение. которое способен выдержать такой ввл л
при внакоперемеяяом изгибе с кручением, не превышает 7—9 кг!мм\ хотя предел
прочности (временное сопротивление разрыву) применяемой стали составляет околоь л
100 кг/лии?. Литой же ввл. в особенности яз графитизированной стали или даже из 7 z
простого чугуна, в котором -включения графита являются естественными надрезами
к рассеивают напряжения, выдерживает в аналогичных условиях службы также
7—8 кг/мм?, хотя имеет предел прочности нсего 25—30 кг1млР (сы. рис. 339).
Известное значение для улучтпеяяя качества литого вала имеет также воэмож- '
ность соедазня я литой хсяструкц плавных переходов, уменьшающих б соответ-
ствующих частях нвделви концентрацию напряжений.
Часто можно наблюдать, как хороший, плотный, леткообрабатшьаемый металл
дает «годные отливки нз-зв пороков, связанных с недостатками в способах фор-
мовки н заливки. Известно, что металл, корошо раскисленный, е избытком кремния
я марганца, дает отливку с газовыми раковинами, если форма недостаточно газо-
промщаема. Металл, полученный в печн с погжым отсутствием красноломкости,
может дать отлежу в горячих трещинах, если лктнжи и прибыли поставлены не-
правильно нлн если форма препятствует усадке Металл с минимальным содержа
ннем фосфоре без прненаков хладноломкости может дать холодные трещины гп «я
напряжений, возинниющнх в отчивке при остывании.
Сталь для валки фасоыиых оттнвок выплавляется с особой тщательностью,
так как применяема» температура звнивнн выше, чем при производстве елнткоп
Заливка слитков имеется часттим « наиболее простым случаем изготовления фа-
ссягюй отакиь. Слиток предотхвлпет собой фасонную отливку элементарной геомет-
рической формы, валнпаемую в изложницу. Конечные свойства изделий, получаемых
из слитков, определяются в зяа«ителъной мере пропессакк пластической и термиче-
ской обработнм. Конечные же свойства изделий, получаемых путем фасонной от-
ливки. определяются только услэвяям палжжи « охлажден™ в сложной песчаной
или кокильной форме н термической обработкой.
Получение фасонных отливок ответственного назначения, в особенности из спе
цнальной ствлн. «ваяется одним нз самых сложных металлургических процессов,
Разрешение сложных задач нронзводства стального литья сводится к обеспечению
счедчюших основных положений:
I) получеяие здорового, раскисленного, достаточно горячего, чистого я отно-
шении вредных примесей и отвечающего назначению отливин металла.;
2) яэготовлише формы и стержней из материалов, обладающих необходимыми
свойствами: огнеупорностью, прочностью, 'податливостью (разрушаемостью), газо-
проницаемостью, температуропроводностью, расширением;
введение
*9
3) правильное применение основных принципов подводе металла м установки
првбылей, обеспечивающих вместе с другими мероприятиями правильные условия
заливки, затвердеажия и остывания отлижи;
4) надлежаще -условия тврялмвсаоя обработки, сообщаю»** отлмж* требуе-
мые свойства уменьшающее напряжения в ней;
5) По-.укшк телеологически правильной конструкция «тли • и.
Обеспечен®» указанных условий оолучення качествен^' й с итоги разрешимо
только на научной физико-химической и металлы «л - - • «и «ечм* жим образом
производство фасонного стального литья переста. з е,щогтвшат« >,м» искусство.
Несмотря на трудности, гцхж-чод^тво стального литья |----- так кви замена
кованых (штампованных) в сзарны , сольных дета -й л.тымь и имена отливок из
других черных и цветных метал обладающих х ш ми фнзнч» сини и химиче-
скими свойствами, имеет большое •оноыич* кое
Весьма замечательно в этой . ... I- К. Чер-.<_, вделанное
нм еще в 1878 г. и с..ранившее < - зи4 до на, врем«-и;
«Главнейшим н _..-гатком ста лих от . «эк явля ie,. ।... • - гь как от пу-
зырей, так и от усадо._1ЫХ пустот, а иногда наружные т »ы и сам»» сложение
ствли не позволяли пускать в дело палучеаи"‘л -’-ивку. Sot при"чь.^ почему
в большинстве случаен стеленитейщикн ог. >. .л,-л гг-лучекк—. . >Ысо сталь-
ного куска самой простой формы, — слитка. когорт- • ."«йт мате .« для вы-
делки изделий, при помощи сильных механичесж» нс .4 топлива.
Как бы. однако, ни были велики пренятствз» г .»*<• it- пег .‘указанной
цели, нельзя отказаться от настойчивого пр«.. . Л|. «• моя* П- громадных
выгод, какие представляет способ получения щ - . - : прмы. Но так
как успех борьбы с каким бы то ни было злом г. • в » г в возможно
тщательном изучении его, то понятно, какое важкое - ач^ * «»гч ч - «временной
стальной промыпигеияости изучение недостатков в литых « к*х».
При отсутствии в стальных отливиах пороков (толстых ма а> • •а»*|»х плен,
скрытых и межкристаллитных усадочных раковин, газовых и исаа • —•»« ’ вклю-
чений, остаточных напряжений) и правильной -гермичесжой <4а*я*Мвг. *-альное
чнтъе обладает высокими механическими си истцами, коч.;«ге г и иногда
даже Превосходят механические свойства надели. пол; |.м*тн«*ВД0 обра-
боткой. Это положение уже давно выдввиуто Л Ч< -иань а вдывалось
рядом работ его ученика С. В. Белинского.
Рзияние внутренних пороков литой детали на ее прочность н. • оГнностн,
часто <« учитываемые конструктора»» и мехаяжамк. г'тд-ты*че Г-«гм -неме-
таллические или газовые включения, недопустимые в ко дам «•»’>•»’. могут
оказаться безвредными в литых. Большое знач. имеет и • '<•— «ЧП» во. что
в иггых изделиях подобные включение в»еют . ышк> .w«ix*i с*у»ческую
форму, В то время как в издг-иях конаных с .. -орм - л. Ла остро-
угольны. Вокруг включений otq ой формы кон» га - иапряж И всегда
здюиггельно меньше, чем у оепхгупсыплой
Р последнее время благо, , ря общим успехам лите». ого пронзил. Те более
пр» „яов оценке конструктивной прочности и вочипжяпгтд илптполя честаа
отлгюок просве шваниец ЮДИПШИ •е"‘-емы • । и " • еяятьс-я
отливки взамен поков. пс в таких 'твеь™х - — ня дизе-
лей, •’ мобилей и морск- I судов: как стволы орудий, «п... - '• • ‘ • - гебпй-
ных снарядов, детзлн броневых * .- • и т. д. н т Т.
Номенклатура с тальмы я отламок
Производимое в настоящее- время ф твое '"ГМьиое ли1п< ительио
разнообразно но своей конфнгурании и и >н В . . иацучмер.
пре взводятся из конвертеров малого бес( >1 отлив»» - 1 -. л (1 » Си)
весом от 9 г н толщиной стенок от 2 мм. О . • в I Нов Кипиато)»*
ском заводе им. Сталине получены отливки весом в I т
Богатство ассортимента стальных ог п»ок и раз» г . их нззгы иф можно
оделить, мехддя из диапазона во весу (9 г и 200 т) н из игиенк, . гтгМ деталей
различных машин, -изготовляемых лв’ыми <-гЯЛ «ыыи пмсг-m мои »ы »и литых
чугунных.
I. Коряв л ее-трое и иомщрш icuhw - - «левые г яхорн
Я якорные чиста, гребные винты к втулки к ним. чопасти гребных винтов, цепи,
какатцые ролиит, клапаны, задвижки клапана главного, вспомогательного и -бокового
‘трюмного Трубопроводов ГОЛОВИН лвлжрсиз. ВОДИ ккя их, слус*»..ь грубы, .iCTOHlJ
боковых окон и т. п. Отливна ахтерштевки, сы. рис. I. |
И. Машиностроение: А Пзрояые турбтвы: кожухи паровых турбин]
Промежуточные плиты, крышки, вкладыши подшипников, кллпаиные коробки, napouud
сита, спидовые норобки М Т. П. Отлима корпуса турбины. СЫ. JU1C— 2.
2’
20
Введения
Рис. I. Аггеряттевейъ (котжягвая часгг.) корабли ^Абхазия*. ЭЙЙМ
из углеродистой стали; йл-ви отливки 12 ж, пег 15 т (Невский л. под
им. Левина)
Введение
21
ь, atWiift
'кяй завод
Рие 3. Первая в СССР крупная отливка спирали водяной тур-
бины мощностью 10 000 кет. толщина стенок 18 мм (Невский
завод «и. Ледлпа)
22 Введение
I
' - Пю ые машины- крышки цилиндров, поршни главных машин, вкладыши
'КС- шг'ки. •"ь-’ные вил*'“, фундаментные плиты, машинные стойки,
ЧвВг-та, ни — вин е, траверсы, коробки зе”эижек, крышки поршней,
1 ,овые ко • нлнндры л ~ l
₽ .(вжат- •- чего стм«яи фундамент стойки, рубашхн цилиндров,
1 <5 иля р ых к<.г-> дисков, распре д< йтелъные супо.рты.
Г. Во - л • лбин, кожухи турбин и т п. Отливка спирали
1)0 f ifi rv r«e Mg. 1
HI. K° • ;• • • - и не: колпаки паровика, фланцы, подставки, барабаны
кс|г., or* Mix — водомерные приборы, клапаны, задвижки и т. д.
I >. <^мш1ки васосов, поршневые лопасти, поршни цилиндров и т. и.
* Ы: клапаны для любых давлений пара, кожухи клапанов
и .1 • кя. коленчатые трубки. набивные коробки для главного
и ч —.»—«»> wpoq^M «да
'.I ' • о из 1Ты: станины преов, рукоятям, кольца, штампы,
ст <1ы ... о. —г..., . —.лоты, наковальни, станины молотов,
бс4«ц, »<.:• I т п >.ч->рхней попе и .ины 1 • »; т пре а. см рис. 4.
Рн;. 1 • ех крупны* сальных сливок в мири,
- на J20UU-T npeci i вес 210 г
VII. £rt<iU . орожное дел., локомотивные рамы, ос-говы колес,
колеса. Пр <>••. (U гаые рамы кривошипы. Г.-сы. б (арные коробки, все виды
составных >i •х частей, реа орвые стойки, крестовины, железнодорожные
стрелки, редьс .. е подушки и т. и
Отливка иоб рамы, см. рис. 5.
Колеся мтв после испытания, см. рис. 6.
VIII. !• "ромышленностн (артиллерии, тяпки, авиация) стальное
литье нмеег--сж,А- ... <•» ie. Достаточно упзать, что в СССР и в Уотертоуноееком
а|н,нате в CU \ хеитроиежных машинах из орудийной стали за-
бивают стволы |« I. ,а для таехэв из броневой стали отливаются башни,
лобовые шжы, », , - - вых перед;« из стали Гадфвльда — траки; из кон-
струкционно! г • мой стали — t .'вгиме дета ти ходовой части я т. и.;
для самол -’ш •-авают-, из кс • -ой ст;. и, имеющей большую жидко-
текучесть. различные тонкостенные детали, крошите 11Ы, подвески, кожуха и т. п
Весьма харитерво, что. чем ответственнее назначение машины, тем более зна-
чителен -в ней удельный вес стального лвпыя. Например, е сельскохозяйственном
машиностроении, -нанмене* ответствеяаон, вес отливок из серого чугуна составляет
около 20%. а из стали всего 5% от веса всей конструкции. В паровозостроении
соответствующие веса отливок будут уже 10 и 40—50%, в турбостроении 5 и 20%,
вароаой арытуре 10 н ®0% и т. д. В артиллерми, танках и самолетах удельный
tlec стальноря еще выше.
Примерное распределение стального литья по различным областям промышлеи-
иости можно видеть из следующих статистических данных по США (в %);
Введение
И
1алгин, вкладыши
ииные стойки,
крышки поршней.
aura цилиндре
супорты.
Отливка спирали
ганки 6apa6ai
* и т. д.
1ИЛННДРОВ и 7. П-
пкухи КЛЯЙНОВ
5ки для главного
колец-, штампы
ганины молотов,
, см. рнс. 4.
железнодорожное и транспортное машинострое-
ние (в том числе 3,5»/0 автостроегие); . .
разное машиностроение (в том числе влектротех-
ническое 2,и®/о, обработка металлов 3,0, трак-
торвое 5,6, прессовое 2.2, горное 1,5% и т.д.)
прокатное оборудование ..... ...
подъемные и экскнваторные механизмы .
арматура (паровая, крекинговая и т п > .
дорожные и строительные сооружении
разные потребители ................
Рнс 5. Цельнолитая из ванадиевой стили паровозная рама вместе
с цилншцшмн и подбрюшником котла, длина 23 м. вес 44 г
(пнизу — вид рамы после выбивки)
мир
остовы колес,
обкя, все виды
ке чезиодорожные
нация) ста тыюе
Уотерто уновском
дийной ста ди за-
ливаются башки,
-траки; яз кон-
Й часта и т. и.-
большую экидко-
кожуха и т. п
г, тем более зна-
скохоэяйственном
,угуна состаиняет
парпвозостроенп к
роении 5 и 20%,
юлетах удельный
с г ям промышлеи-
(в %):
Рш 6. Колеса вагонов и паровозов из мягкой стали посте испита инн под копром
21
ISetOttiMA
Клмсцфйкацня стального литья
Классификация стального литья многообразий; они различается ix> трем основ-
ным признакам:
I) по свойствам (физическим и хиияческвм) стальных отлива»;
2) .по тимическому составу стаж;
3) по способу производства стали для сплнвок.
Наиболее распространена класснфикацня оо» слойствям, так кик они обычно
определяют химический состав применяемой стал» а п значительной кере способ ее
производства. Нельзя, налржер. получить в лсиэертерах малого бессемерования
сталь с таким жзкям <х—;ержаяксм серы в фосфора, как в основных электропечах.
Нельзя та«.<‘ т,чять в . . . гене - «й печи без особых приемов работы
тэную » л а ... для - .яьжтк I жим. ырриыер, <ки:мамг саьержг.
иисм углерода, которое .г-4-...ihmo гл< « сто«1с/.4чес»|а нт и), ка«ую можно
получить в осноеямй март*. . •-•ой new. Нелы» также получить в основной «чрте-
новской »«.>порые вьк .. легированные с -ли с та» н точной д зироакоь аге-
циг-пьн <« Mb» - - ». Как в . ичггпопечн
¥ныиче-.. «дез ч_-. . • .<обевностм г»хя® производства •<» определяются
не TuibKo те-’ «мычи с««п>--. ..< ,,ки. нс : < «линей п яссом. Нельзя,
к. ’|рь*><> «м»«.гь из «.w , t -«• о .гакщ крупных оттиск,
как из мартеновски - п ей, или т того стенных ответственных и сложных отли-
вок. как из электрод. iefi.
Е • щее время для производства - -алыюго nir-w "лужат пре-
ннуниттне^де;
1) кас?ые »оньсртм'ы шале г.» бесоемерсеання для малоотоетствешых отливок
мелкого н среднего рэ*^;а неси г ж т-fl к* М|.ч«м>н;
2) ось-.,-. и . , , ыар)|жя1 41 пе.н д • , овелних и крупных отливок са-
мой рмванчной конфиг - -Пии - - — лето! и ировамной стили;
3> кислые дуговые электроде и - для не. с к с - дни1' отливок .резной кон-
фигурации нз pi-, чвых марок уг ® к . ., - .ыюй стали, за исключением
иекот« ых bi . - .-тированных мяр i.l •» ма л > >овая сталь Гадфильда в др.);
4) ос«сч«.ч д. эвые —-.ектрш^.. то во». и и»»: отливок любой кон-
фпгур- ни . .х жарок ста.-
Ь/ МГСЛ-. и «а? ян ............ - " . Ч -‘>ты без • ,> гечнмка для
мелких к с,- . •• —. . ... .... . июеаныык марок стили.
IVihOo. . - т- . I., зюо.» - тал для ф^сашвго литья
является осмовяЛ . в • НА » «челы!) мартевовсхн! прочее- В время
в СССР к США н связи с нигрокж развитием производства отливок из специальной
стали и отливок сложной конфигурации среднего резвеса сильно развились процессы
э.тектропяыжи (кислые « основные, в дуговых м яндукцновных пенях).
В дополнение к данным табл I можно отмстить, что по перепигц J!M4 i.
г США работало на фасонное литье:
Табтпца 2
основных мартеновских печей 74 (от 2 до 200 w, из них 31 печь ем-
костью 25—30 т)
кислых мартеновских печей 70 (от 10 до 100 т, из них 21 печь ем-
костью 25 я, и по 9 печей ем-
костью 20 и 35 т);
кислых электродуговых печей 290 (от 0,5 до 50 т, нз них 77 печей ем-
костью 3 т, 58 печей 1—1,5 т и 22
печи 6 т);
оснозиых влехтродуговыт
печей . . ... ' ц.т 0.5 до 25 я>, нз них 14 печей ем-
костью 5—6 пи 5 печей 3 /и);
КИСЛЫХ ВЫСО1 •.1ОТНЫХ
печей . '5 (от 2$ кг до 1 т, из них 14 печей ем-
..гтЬЮ около 0,5 "п),
-ИСТЫХ »о«и₽рт<4|, м »-«•
бе ....... 25 (от гп > । та ( 5 »л г и трь-
тглец. пропс . в, причем 1о не--.4
ем--, гью 2 т н И в 1 т
I . 1ьнь , г |. т !(• до 1250 емкостью).
К.»с:нфнкацнм (-1 |«к <1; сеоВствам и .ншчесжому составу с »,и рвесыатри-
вют.-т ак»е в с. • тветствующ • г л-л.’ курса.
‘ - ет отметить, что > ..( - «ими им.-ют обычно условный характер
определяются каким-либо ..........по-, показателей свай&гп мм. сойтыи, аав«.
евшим от местных условий.
ОТДЕЛ ПЕРВЫЙ
ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА И ПЕРВИЧНАЯ
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ В ОТЛИВКАХ
ГЛАВА I
ОХЛАЖДЕНИЕ И ЗАТВЕРДЕВАНИЕ СТАЛИ В ОТЛИВКАХ
I. Охлаждение и затвердевание стали
Сталь, поступающая мз ковша в форму, охлаждается уже в про-
цессе заполнения самой формы, при движении в ее литниковых ходах
и в заливаемой полости. Даже при быстром заполнении на стенках
формы может образоваться тонкая корочка затвердевшей стали. Под
влиянием дальнейшего охлаждения залитого металла толщина корки,
образующейся по всей Поверхности раздела металл—форма, прогрес-
сивно увеличивается. Отливка постепенно затвердевает как в вертикаль-
ном направлении (по высоте), так и в горизонтальном (по сечению).
Устанавливается теплобой поток от срединных зон отливки к ее
наружным вертикальным н горизонтальным поверхностям. Устанавли-
ваются температурные градиенты по высоте и по сечениям отливки.
Для каждого данного сечения абсолютные значения температурных
градиентов непрерывно меняются, так как вес время меняются соот-
ветствующие условия охлаждения.
В начальных фазах процесса охлаждения температура стенок фор-
мы низкая. На поверхности раздела металл—форма только образуется
тонкая корка, затвердевшего металла Основная мдсса металла нахо-
дится еще в жидком восто^ниу. Поэтому температурный градиент
между отливкой и формой й также скорость охлаждения в наружных
зонах отливки досЛтмот Гаоих максимальных значений. При последую-
щих же фазах охла5кдещ1Я7<огда происходит прогрессивный рост корки
внутрь жидкоттг-метадла, ’Уже проявляется -значительное влияние выде-
ляющейся скрытой теплоты, кристаллизации и нрогревнются стенки фор-
мы. Образуется воздушная прослойка между затвердевающей отливкой
и стенками формы Температурный градиент между отливкой н формой,
а также внутри отливки выравнивается, абсолютные значения его и ско-
рость охлаждения уменьшаются. Скорость охлаждения внутренних зон
отливки вновь увеличивается лишь к концу затвердевания из-за увети-
чения теплопроводности твердого мствлда при ею остывании и малого
объема оставшегося жидкого металла d низкой теплопроводностью.
В процессе охлаждения отливки, до полного ее затвердевания,
сосуществуют две фазы: твердая и жидкая. Этот период играет очень
важную роль в жизни отливки. Формируется строение металла при
первичной крисгаллизацин, образуются усадочные и газовые раковины,
получают определенную форму и расположение неметаллические
включения и лнквационные выделения. После ролного затвердевания
26
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
формируется строение металла при вторичной кристаллизации, разви-
вается усадка твердого металла, ведущая к образованию горячих тре-
щин и. внутренних напряжений.
Вследствие того, что сталь имеет обычно температурный интервал
затвердевания, — в процессе ее затвердевания между осями растущих
ливки нз стали:
температура Начала аатвердеванва
(.тинвядусЬ
температура конца ижтпердсваим
<солндус>,
талиамва етапвки и.ти» грап куОа
ушм диаметр цщмлдрЮ
дендритов всегда находится не-
которое количество жидкого ме-
талла.
Так как термо-физические
характеристики твердого и жид-
кого металла различны, то кри-
вая распределения температур по
сечению затвердевающей сталь-
ной отливки имеет вид ломаной
линии, рис. 7.
Кривая распределения темпе-
ратур круто наклонена в обла-
сти твердой и смешанной твердой
и жидкой фазы Она более поло-
га в области только жидкого ме-
талла. Это в известной мере объ-
ясняется выделяющейся скрытой
теплотой кристаллизации.
Кривые распределения тем-
ператур по сечению отливки
(плита 80 мм) в различные мо-
менты затвердевания представле-
ны из данных Х-воринова ГП на
рис. 8.
Полное затвердевание отлив-
ки достигнуто через 26,5 мин.
(t° солидуса в центре = 1455°).
Рнс 8. Крввые распределения температур по сечению от-
ливка шиты толщиной 80 им из углеродистой стали
(0,24% С) в различные моменты периода охлаждении в сухой
п--чаной форме (справа). Распределение твердой фазы по
сечению (слева)
Устанавливающийся тепловой поток к стенкам формы ведет к охлаж-
дению отливки и одновременно к нагреву формы. Изучение тепловых
батансов от.чнвок и форм показывает, что охлаждение мелких и сред-
них по весу отливок в периоде затвердевания происходит преимуще-
Оххмвдммм и загвгрдгвание егси» в омгмиох
27
ственыо за счет поглощения тепла формой В ней может, по расчетам
Б. Б. Гуляева [2], аккумулироваться до 85% всего количества тепла,
отводимого за этот период от отливки.
Охлаждающее илияияе формы заключается не только в прямом
поглощении тепла, но и в известном рассеивании этого тепла путем
лучеиспускания и конвекции. Это рассеивание будет тем больше, чем
выше температура формы и интенсивнее циркуляция окружающей ее
среды.
Охлаждающее влияние формы зависит как от ее
температуропроводности, так и от ее массы (объема).
Чем больше температуропроводность формы, тем интенсивнее охлаж-
днющее влияние ее. так как выше нагрев стенок самой формы, ббль-
шее количество тепла может быть в ней аккумулировано и рассеяно.
Чем больше масса формы, приходящаяся на единицу охлаждающейся
поверхности отливки1, тем, при прочих равных условиях, большее коли-
чество тепла сможет быть аккумулировано в самой форме.
Скор ость охлаждения стали как в период затвер-
девания, так и последующего остывания отливки яв-
ляется одним из основных н решающих факторов,
определяющих качество литого изделия.
Неправильная скорость охлаждения стали в процессе затвердева-
ния отливки (чрезмерно большая или чрезмерно малая) может отра-
зиться на ухудшении строения при первичной кристаллизации, на по-
явлении усадебных н газовых раковин неметаллических Ьключений
и т. ж.
Неправильная ж$ скорость охлаждения стали в процессе остыва-
ния уже затвердевшей отливки отразится на строении при вторичной
кристаллизации и мажет вызвать образование горячих трещин и на-
пряжений.
Правильное j прав пение скоростью охлаждения отливки в различ-
ных ее частях • различные периоды является основной задачей ли-
тейщика.
'Воздействовать на скорость охлаждения можно различными пу-
тями: подбором соответствующих сечений отливки (конструкцией мо-
дели), методом и скоростью заливки металла, температурой его; под-
водом металла и установкой прибылей; подбором формовочных мате-
риалов, температурой и массой формы; методом выбивки отливки
и т. п.
Сталь из ковша в форму заливается обычно только под влиянием
собственного веса.
Заливка под принудительным давлением не имеет еще промышлен-
ного значения, за йсключ'ением методов -получения центробежного
и прецизионного (с точными размерами) литьн.
Независимо от участия давления, процесс заполнения формы ц за-
твердевйНия стали в ней может происходить в статических или
динамических условиях. Форма может оставаться непо-
движной в процессе заливки, затвердевания и частичного остывания —
стационарная зал'ивка. Форма может вращаться в процессе
заливки, затвердевания и частичного остывания — центробежная
заливка. Форма со стержнями, образующими сложные внутренние по-
лости отливки, не могущие быть полученными только центробежными
силами, может даже оставаться неподвижной в процессе заливки,
ио вращаться при Последующем затвердевании и остывании—полу-
н т р о б е ж и а я и центрофугироваиная (под центробеж-
ном давлением) заливка. Во всех этих процессах скорость охлаж-
дения является одним из решающих факторов получения качественной
отливки.
Литейане ввоЛствл л ядямчнал жрметал«имч“ стам
При любом способе заливки можно влиять на скорость охлажде-
ния подбором соответствующих материалов формы. В данное время
заливка стачи ведется в формы из различных материалов, выбор ко-
торых связан с различными технико-экономическими условиями:
а) в очень тонкостенные медные, интенсивно охлаждаемые водой,
мундштуки-кристаллизаторы (методы непрерывной отливки стальных
и адюынииевых квадратных или круглых заготовок различных разме-
ров);
б) в металлические формы (чугунные н стальные) различном тол-
щины для слитков и фасонных отливок совсем без стержней или с ме-
таллическими стержнями;
в) в кокильные формы (чугунные или стальные), комбинирован-
ные с песчаными наружными и внутренними стержнями;
г) в песчаные формы (из материалов с различной теплопроводно-
стью, минимальной для сухого песка и максимальной для магнезита
Рис
9.
Кривые рлиределенни температур и отливках cihtkob
(7П% Си) в различные моменты охлаждения после заливки
при температуре t ж:
латуни
— seo4natui формж М = *0
и корунда), без стержней и с песчаными стержнями, часто комбини-
рованные с метал тическими внутренними и наружными местными хо-
лодильниками.
Кривые распределения температур в различные моменты охлажде-
ния слитков диаметром 75 и 150 мм, залитых в тонкостенную медную,
охлаждаемую водой изложницу (имеющую практически бесконечно
большую теплопроводность), в чугунные изложницы с различной тол-
щиной стенок н в песчаную форму с очень малой теплопроводностью,
представлены на рис. 9.
Наглядно усматриваются:
а) более низкие значения температурного градиента и, следова-
тельно, скорости затвердевания и остывания в отливке, залитой в пес-
чаную форму, по сравнению с чугунной; в тонкостенную форму, по
сравнению с толстостенной; наибольшая скорость охлаждения полу-
чается при заливке в тонкостенную медную изложницу, охлаждаемую
водой.
ОхлажЯешч и аатвердв^ание trttMu в отливяп*
29
б) более выесжые значения температурного градиента в стёнках
песчаной формы; она имеет на поверхности раздела металл — форма
температуру, близкую к температуре затвердевания металла; на на-
ружной же поверхности, при надлежащей толщине стенок формы, тем-
пература близка к окружающей атмосфере. Вместе с тем, в стенках
чугунной формы температурный градиент. Хотя и менее резко выра-
жен, но сами температуры имеют более высокие абсолютные величины
из-за большей теплопроводности. Поэтому в чугунных формах (может
быстрее аккумулироваться большее количество тепла, и отливка Пблу-
чит большую скорость охлаждения.
2. Теоретические расчеты скорости охлаждения Н затвердевания
стали
Теоретические расчеты скорости охлаждения и затвердевания от-
ливок помогают определить правильные соотногцсния коне-трукттгеных
размеров различных частей отливки и условия их охлаждения, время
заполнения формы, а также длительность пребывания отливки в форме
до момента выбивки. Однако математические расчеты скорости охлаж-
дения отливок, даже такой простой формы, как слиток, заливаемый
в однородную металлическую форму (изложницу), чрезвычайно слож-
ны. Тем более сложны расчеты для фасонных отливок, запиваемых
в форму, состоящую часто и 1 материалов с различной теплопровод-
ностью.
Сложность расчета определяется тем, что в процессе затвердева-
ния отливки непрерывно меняются количества твердой д жидкой фаз,
имеющих различные термофизические константы,, зависящие от непре-
рывно меняющихся температур; непрерывно меняются также условия
охлаждения; образуется воздушная прослойка между затвердевающей
отливкой и формой; выделяется скрытая теплота кристаллизации н фа-
зовых превращений и т. д.
Поэтому существующие методы расчета скорости охлаждения л за-
твердевания отливок следует рассматривать лишь как первое при-
ближение к точным расчетам В основе многочисленных работ по рас-
четам скорости затвердевания слитков и фасонных отливок лежит
трудно разрешимое для этих условий диференцнальное уравнение теп-
лопроводности (Фурье):
- -а * * ., (О
h-n / — температура металла в “С в любой гощ.» па расстоянии к пт
поверхности отливки;
7. — время в часах
а — температуропроводность 8 лг’час-», (о ")
где л — теплопроводность в Кал. час-1. лГ1 сС~1;
с — теплоемкость в Кал. кг-1. ”С~1
d — плотность в кг м~*-, ."
х — расстояние в м от поверхности раздела металл — форма Гили
от наружной поверхности отливки).
При продвижении границы затвердевания ‘ (нарастание твердой
корки вглубь жидкого металла по сечению отливки) в элемент вре-
мени dz на отрезок d Е объем затвердевающего за это время металла
будет’
dH =F -d-,
гд* F — площадь рассматриваемого участка затвердевания.
1 Л вы тегвдкт еданцы пэмереяе!
ЛитеЗные свойства и первичная кристаллизация Ьтали
При этом выделится скрытая теплота кристаллизации
UZ /Л ,d=W 1 di-d,
которая должна быть, наряду с общим теплосодержанием кристалли-
зующегося металла, отведена через уже затвердевший металл в окру-
жающую среду.
Это общее количество отводимого тепла (теплосодержание плюс
скрытая теплота криста миаацин) будет Q F - d Е d.
Решение диференцнальных уравнений теплопроводности осущест-
вляется при введении ряда упрощающих допущений и при применении
гауссовского интеграла ошибок, обозначаемого символом-
"(ГТ?)-
При этом частные решения уравнений для определенных темпера-
тур формы, затвердевшего или жидкого металла показывают, что каж-
дая определенная для любого момента времени температура требует
постоянных значений аргумента функции
Это требование удовлетворяется в том случае, если падг
• Ча г
тоянцо, т. е. х пропорционально «'г.
Таким образом, в данное время получило всеобщее признание по-
ложение о том, что продвижение изотермической плоскости в началь-
ные периоды затвердевания следует в виде .пераого приближения
уравнению
х~const - Z
Это соотношение правильно для любой температуры, в том числе
я для температуры затвердевания. Сдедойателыю, продвижение за
твердевающего слоя вглубь застывающего жидкого металла в началь-
ный период затвердевания будет определяться:
i • • V г . (Я
где к — коэфиццент пропорциона тьиости, коэфицнент или константа за-
твердевания, характеризующая толщину затвердевшего слоя метал ia
в первую единицу времени (при г — I получится А' -— Е).
Эти значения к зависят, конечно, от состава металла, его пере-
грева над ликвидусом, температуропроводности металла и формы.
Формула (2) определяет толщину затвердевающего слоя ме-
талла Е за время z, т. е определяет приблиштелыю положение «изо-
солидусов» в затвердевающей отливке.
е Для определения же скорости затвердевания, скорости продви-
жения изосолидусов, нужно взять первую производную из Е по вре-
мени, т- е
Из этой зависимости скорости затвердевания Ь от времени затвер-
девания z усматривается, что в первые моменты после заливки, когда
значения z еще ы,алы, — значения U очень велики. С уеченнещ
времени скорость затвердевания сначала резко
уменьшается, а затем меняется уже мало.
ОхЛаясдегше я зйт»ер9вмнЛе
стам в опШвКах
31
Это изменение скорости затвердевания по экспериментальным дан-
ным для обычной углеродистой стали, заливаемой в сухие песчаные
формы, представлено на рис. 10 [3].
Рис. 10. Кривая а — изменение во времени
скорости затвердевания углеродистой стали
* сухих песчаных формах, намеряемой в леи3
на 1 жж* поверхности и 1 ими., а кртвая
б — за Д1шнй вромежутох времени
Из кривых рис. 10 и других данных следует, что с течением вре-
мени охлаждения толщина затвердевающего слоя стали увеличивается
пропорционально уже не V г, а приблизительно г. Кривая зависимости
затвердевания от z имеет вид двух пересекающихся парабол или кру-
тон параболы лишь в начальный период охлаждения, а затем переходит
в наклонную Прямую линию.
Экспериментальные исследования затвердевания шаров диаметром
от 75 до 229 мм из стали (0,3% С) в сухих песчаных формах позволили
предложить формулу [3]
(==*! Z0*4-*2 2,
где kt и к^ — константы, зависящие от размера отливки и других усло-
вий заливки. Константа kt, определяющая нижнюю, крутую часть кри-
вой в осях Е- Z, характеризует охлаждающее алиннне песчаных сче,
Пок формы в начальный период охлаждения и мало зависит от размеров
оттеки (/ci - 0,31 и 0,34 для шаров диаметром 3 и 9 дм). Константа
к? определяет верхнюю, пологую часть кривой и характеризует тепло-
отдачу в последующие периоды охлаждения (меняется от 0,43 до 0,12
для шаров диаметром в 3 и 9 дм).
Аналогично, зависимость хода затвердевания от z уже не по сече*
нию, а по высоте отливки, может быть определена по ряду исследова-
ний из уравнения
е=й z°-M
Расчеты теплоотдачи отливки по количеству тепла, получаемо-
го формой, еще более сложны, чем приведенные выше по количе-
ству тепла, отдаваемого отливкой. Истинная теплопроводность
формы зависит не только от теплопроводности формовочных материа-
лов, но и от количества воздуха и влаги в межзерновых промежутках
их. Она зависит, следовательно, при прочих равных условиях, от сте-
пени уплотнения, размера и формы зерен формовочных материалов.
32 Литейные свойства и пвропЬяря кристаллизация, стали
Крои» тоги, даже если не учитывать, чш формы имеют пустоты для
свободной усадки отливок или набиваются весьма часто из различных
формовочных смесей, необходимо считаться с разрушением смесей nojit
воздействием жидкого металла. Расчет теплоотдачи в этих условиях
невозможен.
В последнее время произведена попытка подобного расчета лри до-
пущении, что равномерная формовочная смесь состойт из зерен (шаров)
диаметром 1 мм, «плотно уу1аковаиных> слоями под прямым углом
к потоку тепла, к что они передают тепло только лучеиспусканием
в наиболее благоприятных условия^«черного телда (7].
Если Hi и —абсолютные температуры .двух соприкасающихся
слоев песка, го количество отводимого лучеиспусканием тепла будет
I <А Г.3.(Я/-НЛ, ’
где F— соответствующая поверхность соприкосновения, а о — кон-
станта лучеиспускания, эквивалентная'5,7 ICPlSW. cw3 • сек.-1 • °C"4.
В этих уелйвиях^ после подеганцвюи ррцм!^гстЬуюц1Йх термофизи-
ческих величин, дифнр4ы-цинлия1 'И уравнение теплопроводности (>)
принимает вид ------- — * -J— I 1 J*
Угн р п.го »7 4~ ifi Ъ» П>-«* н’й *
т ’ г««’
не доступный пока иля решения.
Скорость охлаждения отливки после «а затвердевания может быть,
в виде первого приближения, определена в»* известной форму ты
Ньютона для охлаждения твердых Тед
где - скорость охлаждения (падение f в единицу времени) —
6С/сек.; -м , .«««и •'
к — коэфицнент, включающий влияние твпаопрдводпостн, объ-
ема, поверхности и j п, ф^ктороа. определяющих скорость
Охлаждения; ' |( пи— .
In — температура (в.данный момент) j охлаждающейся отливки;
— температура (в данный в момент) окружаюше]| . среды
(формы).
Знак минус в уравнении (3) Определяется тем, чт? с течением
ерсмени (увеличение z, температура otwhlmi «пл.ыирсгсм Пределы
интегрирования уравнения (3) определяются и5 условий, 'чш в Началь-
ный момент охлаждения (Z—О) начальная 'температура охлаждаю-
щейся затвердевшей отливки соо^ветствуе» т -/тературе затвердевания
Ос — ft). Температура среды (формы) j/йвнй нучю (fft -0).
При принятии этих ус.гз?ин и догГунСении п~ 1-
- И dz-
а о
Ipi^rr • • .
In
Охлаждение и затвердевали стали в отливках
&
откуда:
(4)
Таким образом, температуру затвердевшей отливки (to) в любой
момент ее остывания (z) можно определить, зная температуру затвер-
девания (tj) и коэфицнент (к), характеризующий скорость охлаж-
дения.
Очевидно, по уравнению (4} можно определить температуру от-
после затвердевания, но и после
ливки не только при ее охлаждении
Рис. И- Кривые охлаждения прямо-
угольных брусков с фланцами толщи-
ной 8,20 и 60 мм из углеродистой
стали (~ 0,30% С), залитых в песчаные
сухие н сырые формы
птотически к оси абсцисс z, пересе-
кая ее в бесконечности. Анатогич-
по изменению скорости затвердева-
ния (рис. 10), скорость остывания
имеет более высокое значение в
начальный период, постепенно
уменьшающееся, сначала резко, за-
тем слабее. Изложенные положения иллюстрируются экспериментальны-
ми кривыми охлаждения стальных отливок, залитых в обычные пес-
чаные сухие н сырые формы, рис. И
3. СкоросЦн охлаждения н затвердевания отливок в зависимости
от их конфигурации
Наиболее правильным путем для определения времени н скорости
охлаждения и затвердевания отливок является расчет по количеству
тепла, отдаваемому окружающей среде (форме) охлаждающимся объ-
емом металла. Это количество тепла (для металла и формы данных
состава и температуры) зависит от теплосодержания отливки (ее
массы или объема V) н от поверхности охлаждения О.
i Из диссертационной работа Н. Н. Соколова, Свойства стальных отливок, за-
литых в сырые фориы. выполненной на кафедре <Литейвое производство» Ленин-
градского политехнического института в 1S85 г.
34
Литейные свойства и первичная кристаллизация Стали
Поэтому время затвердевания зависит от отношения
R
объем отливки
поверхность охлаждения
Это отношение, имеющее линейную размерность, может быть наз-
вано «приведенной толщиной» отливки, так как, чем оно боль-
ше, тем медленнее охлаждение отливки, больше время ее затверде-
вания '.
Для отливок с достаточно большой длиной /, в которых можно
пренебречь влиянием на скорость охлаждения их торцевых плоскостей
(по сравнению с большой боковой поверхностью), — «приведрццар
толщина» может быть определена, как
R-
О Р-1 Р ’
где F—площадь сечения отливки,
Р—периметр сечения ее.
Поэтому, например, для достаточно большой отливки плиты с тол-
щиной s и шириной Ь, приведенная толщина» R определяется как
2(»+Ч
Так как s мало по сравнению с Ь, то можно пренебречь величи-
ной ~ и «приведенная толщине» такой плиты будет
Уравнение (2) 2
« = 4 . /V
выведено для условий -полубесконечцой * массы металла и. следова-
тельно, для отливок конечных размеров может быть применено только
для начальных условий затвердевания. Оно применимо также для
бесконечной плиты с определенной толщиной для всех тех случаев,
когда температура заливки как паз соответствует температуре затвер-
девания. Поэтому, если просуммировать тепло перегрева со скрытой
теплотой кристаллизации, то уравнение (2) может быть применимо
к определению времени затвердевания плиты достаточно больших раз-
меров с конечной толщиной $ (пренебрегая отмеченной на стр. 31 пря-
мой зависимостью между 5 и г в определенный период охлаждения).
Уравнение (2) рассматривает затвердевание отливки только в од-
ном направлении от поверхности соприкосновения металл—форма.
Конкретная же отливка плиты с толщиной s охлаждается равномерно
с двух сторон. Поэтому определяемое время затвердевания должно
относиться только к половине толщины плиты т е.
Е=л.=*.уТ
1 Решающее влияние отношения объема к поверхности (или сечения к пери-
метру) на скорость охлаждения установлено рядом исследований уже давно.
В частности, термин «приведенная толщина» предложен Н. Г. Гиршовичем («Чугун-
ное литье». 1935, 280). Н. Хвори нов JI] пользуется термином «коэфициеит величины»
отливки.
1 Бесконечной в одном направлении от поверхности раздела металл—форма.
ОхлвжАенм а аатвер9еваш1е стали в отливках 35
Таким образом, время полного затвердевания всей плиты толщиной
s будет
или, пользуясь понятием о «приведенной толщине» (плиты Rn<=-^~;
цилиндра == 4 ; «Уба ^кУв.= “? и т‘ д >’ в₽емя затвердевания
будет
Понятие о «приведенной толщине» стевок отливок имеет большое
значение для литейщика и металловеда-термиста. Оно показывает, что
для определения скорости охлаждения в процессе остывания в форме
и при термической обработке решающее значение имеет не
абсолютная толщина стенок, а их «приведенная
толщин а».
При этом, конечно, следует иметь в виду, что значениями приведен-
ных толщин можно уверенно пользоваться на основе законов подобия
только для отливок одинаковой конфигурации. Для строгих теоре-
тических расчетов скорости охлаждения отливок различной конфи-
гурации нужно было бы учитывать известную разницу в условиях
передачи тепла охлаждающейся поверхностью различной формы.
Например, передача тепла охлаждающейся поверхностью куба, из-за
влияния углов, будет протекать в несколько иных условиях, чем
у такой же по площади поверхности шара. Однако для практического
применения н, особенно, в свете тех допущений, которые были приняты
в основу при выводе формул для определения скорости охлаждения
и затвердевания, — «приведенной толщине» стенок изделий различной
конфигурации можно придать указанное решающее значение.
Понятие о приведенной толщине отливки позволяет определять
ряд мероприятвй для обеспечения требующихся скоростей охлаждения
различных частей отливки, для обеспечения минимальных размеров
прибыли на отливках и т. п.
Например, отливки одного и того же объема (а следовательно,
и веса), но различной конфигурации, с различной поверхностью
охлаждения, имеют совершенно различные скорости и время затвер-
девания (табл. 3).
Как видно из табл. 3, стальные отлввки сравнительно малого веса
(14,5 кг) могут затвердевать в течение 7,2 мин. при соответствующей
минимальной поверхности охлаждения н, следовательно, максималь-
ной приведенной толщине. Одновременно с этим, отлнвкн того же
веса, но неблагоприятной конфигурации (плита), имеют в два
раза меньшую приведенную толщину стенки, что определяет уже
в четыре-пять раз меньшее время полного затвердевания [зависимость
квадратного корня—формулы (2) и (7)[.
Экспериментальные исследования времени затвердевания и охлаж-
дения отливок различного назначения и конфигурации (от плиты 10 мм
толщины, весом в 10 кг, до шабота весом в 65 т, затвердевающего
в течение 27 час.) представлены на рис 12 [1]. _
Конец затвердевания отливок определяется по перегибу кривой
охлаждения, а длительность затвердевания определяется практически
отношением объема к поверхности охлаждения отливки, т. е. ее приве-
денной толщиной (меняющейся в этих отливках от R~ 0,0125 до
36 Литейгше свойства u лервачная кристаллизация стаЛй
Таблица 3
Скорость н время затвердевания стальных отливок одинакового веса, но различной
конфигурации, залитых в сухие песчаные формы [3]
Форма и размеры отливок, мм Объем V, см* Вес С, кг .Поверх- ность Приве- денная толщина стенок м см Количество за- твердевающей стали в первую минуту Время полного затверде- вании отливки мин.
имя О см* кг см*
Шар 4=152 1845 14,5 645 2,85 2,75 360 7,2
Цилиндр d=108 Л=204 1845 14,5 775 2,38 3,25 425 4,7
Параллелепипед . 5=219 1845 14,5 . 875 2,11 8,65 475 3,6
Плита д=57 5=160 и й ==200 1845 14,5 1040 1,78 4.35 565 2,7
Плита з=35,5 5=2.58 и Я—200 1845 14,5 1420 1.30 6,00 775 ’,5
7МЛ - ' Г 1 1 111111 J 1 1 1 111,11 < । । I I । III
Ю г2 3856 8Ю' 2 3 856 8 Ю ° 2 3 856810' 2 3 85b в tQ2 2 3 8568/D3
Время, час
Рис, 12. Ход затвердеваияя и остывания отливок различной конфигурации
ИО углеродистой стали в песчаных формах (оилулогаряфмячесиге кривые)
R —0,2865 jw). В логарифмических координатах зависимость времени
затвердевания z от приведенной толщины R выражается прямой
линией рис. 13.
Из рнс. 13 видно, что плита 80Х400Х 100 мм, цилиндр диамет-
ром 150 мм и высотой 800 мм и шар d —229 мм имеют, несмотря на
нес соответственно в 150, ПО я 50 кг, одинаковую скорость затвер-
девания главным образом потому, что их приведенная толщина пример-
но одинакова
»3,7 см.
Охл&Звние и затвврдеваюи стели в отливках
87
Для того, чтобы рассчитать скорость затвердевания отливок слож-
ной конфигурации, необходимо учесть влияние сопрягающихся стенок
различной толщины, рассматривая отливку состоящей как бы из
нескольких частей. Подавляющее большинство отливок представ-
ляет собой комбинации птит и цилиндров различных размеров.
На основе приведенных исследований можно установить для
практического использования значения константы затвердевания к
в уравнении (2) и (7) в 0,05—0,07 м час-' " т. е.
ь^о,оео-У~х,м
для углеродистой стали с обычным перегревом, заливаемой в сухие
песчаные формы. Однако для других условий заливки зги значения к
уже не применимы. Они могут вообще изменяться в зависимости от
температуры и состава металла, формы и других факторов, влияющих
на скорость охлаждения (см. стр. 462).
Значение приведенной толщины стенок отливки сохраняется и для
определения скорости охлаждения после затвердевания, рис. 14.
Наблюдается уменьшение средней скорости охлаждения по мере
увеличения толщин стенок опивки. При этом видно, что, несмотря
на значительную разницу в абсолютных толщинах отливок (40и60лш),
средине Скорости охлаждения их примерно одинаковы, так как относи-
тельно близки приведенные толщины (21,5 и 23,5 мм).
38
Лит*ймм« свойства н авреычная кристаллизация стали
Из рис. 11 и 14 также видно, что скорости охлаждения отливок,
при прочих равных условиях, различны при заливке в сухие или сырые
формы. Обусловлено это различной температуропроводностью форм,
причем, чем толще стен-
Ябс толщина стенок мы
395 Ы /25 215 235
ЛриВедея толщина стенок мм
Рис. 14. Изменение средней скорости
охлаждения в сухих И сырых песча-
ных формах стальных отливох — брус-
ков с фланцами (см рис. 11) в зави-
симости от абсолютных и приведенных
толщин стенок
между перегретым жидким металлом и
к и отл ивки, тем мень-
ше относительное вли-
яние сырой формы на
увеличение скорости
охлаждения.
Таким образом, скорость
остывания затвердевшей от-
ливки, так же, как и скорость
затвердевания жидкого метал-
ла в ней. зависят, наряду с
конфигурацией отливки, от
ряда факторов, связанных с
физико-химическими свойства-
ми металла и формы.
4. Влияние температуры
металла, температуры и мате-
риала формы на скорость
затвердевания стали в отлив-
ках
Перегрев стали ока-
зывает известное влияние на
уменьшение скорости
затвердевания ее в от-
ливках, особенно малого раз-
веса, в песчаных формах.
В начальный период ох-
лаждения, вследствие более
высокой разницы температур
формой, скорость охлаждения
должна повыситься по сравнению с условиями заливки металлом более
низкой температуры. Однако при последующем охлаждении, особенно
в период затвердевания, вследствие более высокого теплосодержания
в перегретом металле и нагрева формы до более высоких температур,
скорость охлаждения отливки может уменьшиться (уменьшаются
температурные градиенты между отливкой н формой и внутри от-
ливки).
Следовательно, влияние перегрева стали на уменьшение скорости
затвердевания заключается не только в повышении теплосо-
держания стали, но и в нагреве формы до более высоких
температур. При этом необходимо учесть, что отмеченное заметное
влияние перегрева может получиться, несмотря на то, что теплосодер-
жание металла, определяемое только перегревом, сравнительно мало.
Оно составляет не более 5—6% от соответствующе! о количества отводи-
мого тепла за период затвердевания н значительно меньше скрытой
теплоты кристал тизации. Однако влияние теплосодержания перегрева
проявляется в том периоде охлаждения отливки, когда металл находится
еше в жидком состоянии
Поэтому увеличение перегрева, так же как
и повышение температуры формы, несколько влияет
на уменьшение скорости и константы затвердева
ння. Оно в меньшей мере отражается на скорости
охлаждения затвердевшей отливки.
Охлаждение и ватвв^манне стали в отливках
39
В металлических формах влияние перегрева сказывается менее
резко, вследствие их больше! теплопроводности и, следовательно,
более интенсивного отвода тепла в процессе охлаждения отливки.
На рис. 15 приведены по разным исследованиям изменения значе-
ний к в зависимости от перегрева для условий заливки углеродистой
сталью песчаных и металлических форм.
В практике перегрев
стали при заливке форм
редко превышает 100° над МО
ликвидусом. Дальнейшее по- ч» но
вышенне перегрева стали
может вызвать ухудшение
ряда условий получения
здоровой отливки. Влияние
подогрева форм на умень-
шение скорости затвердева-
ния отливки менее интеи
сивно, чем такого же по
абсолютной величине пере-
грева металла. Однако по-
догреть форму для умень-
шения скорости затвердева-
ния можно весьма значи-
тельно. При производстве
кокильного стального литья
(и слитков) минимальный
подогрев форм (и излож-
ниц) составляет 60—80°, а
при производстве мелких
0.02 ШН0060(№$ Ojt О,Н Qt6 0№ Ц20 OfZ .
Kottcmoima зотСерОеВания, м/чис fc
$/20
If Off
Z 80
iff
' 20
О
Рже. 15. Константы затвердевания к углеро-
дистой стали в зависимости от верегреы
для условий еалнаки в песчаную я металлн-
-ческую (чугунную) форму (к. доным иссле-
дованиям)
. _____________ ________ отливок достигает 200—300°.
Из данных рнс. 15 усматривается, что константы затвердевания
еталн при заливке в металлические формы в 2,5—3,5 раза больше, чем
в песчаные. На этой разнице в скоростях затвердевании основано так-
же применение наружных металлических холодильников, устанавли-
ваемых в песчаной форме против тех частей отливки, которые нужао
быстро охладить. На этом в известной мере основаны и процессы
получения фасонных отливок в металлических формах.
При заливке слитков в изложницы многочисленные исследование
в различных условиях определили значения к от 0,15 до 0,23 и лишь
в виде исключения 0,12 л - час-'-4 [4], что дает при перерасчете от 2 до
3 см мин^1’ и, соответственно, 1,5 см-мист'1'1.
Однако при расчете скоростей затвердевания фасонных отливок,
заливаемых в кокильные формы, указанными значениями константы
затвердевания к для слитков пользоваться уже нельзя. В обычной
конструкции кокильной формы бблыпая часть наружных поверхностей
отливки затвердевает под охлаждающим влиянием металлических
стенок формы, а (внутренние поверхности отливки—под влиянием песча-
ных стенок стержня. Поэтому скорость затвердевания кокильной
оглнвки неравномерна по сечению со стороны охлаждающих поверх-
ностей.
Известное представление об этой неравномерности н факторах,
вызывающих ее, дают уже те термофизические данные, которые при-
меняются в соответствующих тепловых расчетах (табл. 4).
1 Так как все елнчнны выражены обычно в различных работах в технической
системе намерений, то значения к даются б * час ~*11. Перехох от метров К часов
к сантиметрам в минутаи-4* осуществляется путем умножения лО.час^К на 12,9
40
Литейкые свойства и первичная криталлизация стали
Таблица 4
Териофшнеские данные для расчета скорости затвердевания стали
Материал Тепло- провод- ность А Кал)м- час °C Удельная теплоем- кость С Кал кг ность rf (удель- ный вес т) Температуропро- водность Теплосодер- жание единицы объема <2=еТ« Кал (в тысячах)
с-7 ж*/ час Кал
’"(/тасХ
Жидкая сталь (до 1600°) 20 0,22 7000 0,0143 167 —2240
Твердая сталь (1400— 1450°) 25 0.165 7500 0,0202 176 1800
Шамот (500 -1000°) 0 8 0.25 1800 0,00178 19 340
Магнезит 3,0 0 25 2700 0.0045 45 —
Формовочная смесь пес- чаная (500—1000°) . . 0.65 0.26 1730 0,00145 17.1 340
Чугув (-500°) 25 0,14 7200 0,0248 158 500
Скрытен теплота плавления мягкой стали с 0,1 Я
С — 69,2 Кал) г.
Рис. 16. Ход затвердевания (продвижения
нзооолидусов во времени) под веянием
охлаждения металлическими и песчаными
етениами отливки 200 X 200 "е из угле-
родистой стали, см 0.45% С (зачернена
усадочная раковина в полностью затвер-
девшей отливке)
На основе эксперименталь-
ных данных автора можно при-
нять, в виде первого Приближе-
ния, для кокильных стальных
отливок с приведенной толщи-
ной до 2 см значения А ~ 0,14—-
0,18 м часlj и для более мас-
сивных толщин А ~ 0,12—0,15 м-
чаС*1*
Для определения изменений
величины к в процессе затверде-
вания кокильных стальных отта-
вок и исследования всего про-
цесса их затвердевания Ю. А
Нехеидзи и Л- И. Леви [5], зали-
вали специальные формы 200 X
X 200 мм. Наружные стенки
формы на половину периметра
были сделаны металлическими
(чугунными) и наполовину пес-
чаными (сухой стержень). Через
определенные промежутки вре-
мени после заливки (20, 25. 35...
900 сек.) формы переворачива-
лись и жидкая, не успевшая еще
затвердеть, сталь нз них выли-
валась.
Разрезы затвердевшей ча-
сти отливки позволяют устано-
вить ход затвердевания во вре-
мени. рис. 16.
Данные рис. 16 наглядно
иллюстрируют приведенные по-
ложения о соотношении скоро-
стей затвердевания стали в ме-
Охлаждение и затвердевание стали в отливвал
41
таллической н песчаной форме Они также позволяют, олреде-
тить отмеченное ранее уменьшение и вновь увеличение скорости за-
твердевания в течение процесса застывания отливки, рис. 17.
Рис. 17. Изменение скорости затвердевания я толщины за-
твердевшего слон углеродистое стали в течение всего периода
застывании кокнтьяой отливки со стороны металлических
и песчаных стенок форм и по высоте и сечению оттвки:
Кривая I - скорость в*тв«рдвв»пия • углу ивтжллическо! Стевки
формы; * ---------------------------------“ ™"“'•• — "
Увеличение скорости затвердевания к концу процесса застывания
при заливке как в песчаную, так и в металлическую форму вскрыто
для отливок различной толщины также последними исследованиями
термоэлектрическим методом подобия [7], рис. 18.
Из положения усадочной раковины и изосолидусов рис. 16 можно
видеть, что при полном затвердевании отливки около % ее толщины
получилось под охлаждающим действием песчаных стенок формы,
а % металлических. Расчет по приведенным выше константам затвер-
девания стали в песчаных н кокильных формах отмечает закономер-
ность полученного соотношения.
Если z — время полного затвердевания отливки, то толщина за-
твердевшего слоя стали со стороны песчаных стенок формы будет
42
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
-I
SO
I
i§ 1г$
200
ТОО
ООО
ООО
300 4Q0
Рас. 18. Скорость затвердевания стальных отливок е^0,2% С различной
толщины при заливке в песчаную и металлическую форму
а со стороны металлических хм=Лм- Общая тол-
щина отливки будет
в
§
Приняв Аи=0,06 и kK *=O,f35 я час ’«(стр. В7 и 40), как
средние значения констант затвердевания, можно определить
0,3,
х, _ U,Об
х^~ OJ95
что совпадает с экспериментальными данными рис I6.
5. Влияние толщины стенок и массы формы на скорость
затвердевания стальных отливок
Уже указывалось, что чем больше масса формы, приходящаяся
на единицу охлаждающейся поверхности отливки, тем, при прочих рав-
ных условиях, большее количество отводимого от отливки тепла смо-
жет быть аккумулировано в форме Но влияние такой формы на ско-
рость затвердевания отливки будет зависеть уже от соотношения
между аккумулирующимся и рассеивающимся теплом.
Если форма с тонкими стенками способна рассеять большее коли-
чество тепла, чем может аккумулировать форма с толстыми стенками,
го тонкостенная форма обеспечит большую скорость затвердевания
отливки. Это возможно при интенсивном охлаждении форм на проточ-
ном воздухе, или, в предельдом случае, при искусственном охлаждении
очень тонкостенных форм водой (см рис. 9).
Однако в практике часто нельзя обеспечить очень интенсивное
охлаждение наружных стенок формы. Поэтому в формах обычно пре-
валирует, особенно для мелких и средних отливок, аккумуляционная
Охлякдекие м затвердевание стали в отливках
43
способность. В связи с этим толстостенные массивные формы (излож-
ницы) часто дают бблыпую скорость затвердевания отливок, чем тон-
костенные (см. рис. 9). Этими различными условиями охлаждения на-
ружных стенок форм объясняются встречающиеся разногласия ряда ис-
следований о влиянии толщины стенок и массы формы на скорость затвер-
девания (см., например, работу И. Граната и А. Безденежных [6|).
Расчет толщины стенок металлических форм и изложниц для того,
чтобы обеспечить наперед заданную скорость затвердевания стальной
отливки, представляет очень сложную тепловую задачу. Она услож-
няется еще тем, что рассчитанные стенки таких форм (получаемые
обычно сравнительно тонкими) нужно увязать с необходимыми усло-
виями конструктивной прочности металлической формы, подвергаемой
ударам во время эксплоатации. Эго вынуждает обычно обращаться
при конструировании кокилей и даже изложниц уже к эмпирическим,
а не теоретическим расчетным данным.
Автор рекомендует устанавливать толщину стенок кокилей для от-
ливок, имеющих толщину до 20 мм, в полтора-два раза больше со-
ответствующих толщин стенок отливки, а для отливок 20—50 мм
в один-полтора раза. Для слитков последние исследования устанавли-
вают, что толщина стенок изложницы должна отвечать условиям
Д1-‘В =08 до 1,0,
где D — наружный диаметр изложницы (или длина наружного квад-
рата ее),
d — внутренний диаметр изложницы (или длина внутреннего
квадрата ее).
Дальнейшее утолщение' стенок изложницы, сверх
этих значений, не влияет на скорость затвердевания
слитка.
Объясняется это, прежде всего, тем, что из-за усадки отливки
и расширения формы между ними образуется воздушная про-
слойка. Она имеет меньшую теплопроводность, чем стенки формы.
Вследствие этого, независимо от толщины стенок формы, скорость
затвердевания отливки с момента образования прослойки несколько
уменьшается (см. рис. 18)-
Толщина стенок металлической формы должна быть выбрана
достаточно большой также для того, чтобы без специального охлажде-
ния наружной поверхности температура ее не была чрезмерно высокой.
При высоком и частом нагреве и охлаждении стенок чугунной формы
возможен так называемый «рост» чугуна, и, вследствие больших тер-
мических напряжений, форма быстро выходит из строя.
Для иллюстрации термического удара, претерпеваемого металли-
ческой формой при заливке, можно отметить, что по исследованию
автора массивный -кокиль (весом 10 7) через 4—5 мин. после за-
ливки имел температуру наружной поверхности в 650—750°. Внутрен-
няя поверхность кокиля имела в это время температуру около 1050°.
В песчаных формах на поверхности соприкосновения с металлом
температура достигает обычно 1300—1450° При этом, из за низкой
теплопроводности песчаных форм, наружные поверхности их имеют
всегда более низкую температуру, чем металлические (см. рис. 9).
Из исследований о распределении температур в стенках песчаных
форм следует, что при затвердевании каждого слоя стали по толщине
отливки подогрев формы на температуру выше 100° идет на глубину
вдвое бблыиую, чем толщина этого затвердевшего слоя, рис. 19 [1]’.
1 Первые исследования теплового режима песчаных форм произведены
Л- П. Бергом (см. П. П. Берг—Формовочные материалы, ОНТИ. 1933).
44
Литейлви свойства и первичная кристаллизация Стали
К концу затвердевания стильной отливки цилиндра диаметром
400 мм (приведенная толщина R — д — 100 мм) толщина слоя фор-
Рис. 19. Кривые изменен ня температур охлаждающейся
стальиод отливки цилиндра ннцметром 40Q и h800 ММ
и нагревающейся песчаной формы Кривые с цифрами отно-
сятся к форме, причем цифры означают расстояние от йо-
верхвости раздели металл — ферма
Время, часы Ю~*
мовочной смеси, имеющего температуру выше 100°, достигла 200 мм
Но фактически алияла на скорость затвердевания толщина слоя фор-
мовочной смеси только в 100—120 мм (см. рис. 19).
Таким образом, можно принять, что на ход затверд'еййния
стальной отливки толщина слоя формовочной смеси
не влияет в том случае, если она ботьшепбл о вины
абсолютной толщины стенок отливки (распространенное
правило рекомендует равную толщину) Если же Толщина слоя фор-
мовочной смеси будет меньше половины толщины отливки, то разность
температур между поверхностью раздела металл — форма и наружной
поверхностью формы уменьшится. При этом потери на лучеиспускание
возрастут, отвод тепла от формы станет интенсивнее, скорость за-
твердевания увеличится
Для стержней же, которые с двух или нескольких сторон окруже-
ны охлаждающимся металлом, распределение температур будет иное,
чем в форме Вследствие затрудненной теплоотдачи влияние изменения
толщины стержня на скорость затвердевания сказывается менее резко,
чем изменение толщины слоя формовочной смеси.
На основании различных исследований можно -принять, что
толщина пантообразного стержня только в том слу-
чае не будет влиять на скорость затвердевания, если
она в два раза больше толщины отливки (для цилиндри-
ческого стержня в три раза, а для шарообразного даже в четыре раза).
Это положение имеет большое практическое значение, особенно
при заливке в кокильные формы. Для получения по возможности рав-
номерного охлаждения с обеих поверхностей отливки необходимо де-
лать стержни с пустотами, с минимальным слоем стержневой смеси
и с хорошими условиями ее теплоотдачи
ГЛАВА 11
ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ СТАЛИ
Под понятием «жидкотекучести» часто подразумевают только спо-
собность металла заполнять форму и давать хороший отпечаток ее.
Однако, как показали исследования [8, 9], лучшая жидкотекучесть
и меньшая вязкость металла способствуют получению более концент-
рированных усадочных раковин в прибылях вместо рассеянных в теле
отливки многочисленных межкрнсталлических усадочных пор; способ-
ствуют более полному выделению из металла газов и неметаллических
включений. Таким образом, лучшая жидкотекучесть метал-
ла оказывает влияние не только на хорошее запол-
нение формы, но и jh а получение здоровых отливок
(слитков). Это является одним из важнейших литейных свойств, кото-
рое следовало бы назвать в его комплексе «литейностью» металла.
Кроме «жидкотекучести», существуют еще термины «текучесть»
и «жидкопчавкость» металла Последнее название совершенно не соот-
ветствует природе рассматриваемого литейного свойства металла.
«Текучесть» же, как ее рассматривают физики, определяет только об-
ратную величину динамической вязкости, внутреннего трения жидкости
tj . т. е. ф = i-. Жидкотекучесть не является чисто физическим свой-
ством металлов. Жидкотекучесть, как способность металла течь, опре-
деляется .результирующим влиянием различных физико-химических
условий, управляющих затвердеванием жидкого металла при его дви-
жении в форме.
Природа жидкотекучести И ее влияние на качество отливок чрез-
вычайно сложны. Они определяются, как и для всякого литейного свой-
ства, не только физико-химическими свойствами жидкого металла, но
и условиями заливки и свойствами формы (ее конструкцией, методом
подвода металла, физико-механическими показателями и составом фор-
мовочных смесей, вентиляцией формы и т. п.). Во всяком случае, для
того, чтобы мет'алл мог заполнить только под влиянием собственного
веса полость формы и дать хороший ее отпечаток, он должен обладать
определенной янзкостью. Величина вязкости не должна превышать
некоторого значения, характерного для жидкого состояния. Кроме
того, напор металла должен быть не ниже определенной величины,
необходимой для обеспечения минимальной скорости движения металла
При охлаждении в температурной области интервала затвердева-
ния (ликвидус — солидус) вязкость металла из-за выделения твердой
фазы очень резко возрастает. Получается практически «нулевая» жид-
котекучесть металла, когда он перестает течь, находясь под влиянием
только металлостатического напора.
Часто неправильно считают, что металл перестает течь и нулевая
жидкотекучесть наступает уже при охлаждении до температуры лик-
видуса, Т- е. при начале выпадения твердой фазы. Нельзя также счи-
тать, что нулевая жидкотекучесть получается только при температуре
солцдуса, конце полного затвердевания. В действительности металл
46
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
может обладать еще некоторой жидкотекучестью и при температурах
ниже ликвидуса, т. е. когда в жидком металле находится уже замет-
ное количество твердой фазы. Различные количество и форма этой
твердой фазы определяют для различных металлов соответствующую
нулевую жидкотекучесть.
При сравнении жидкотекучести различных металлов автор предла-
гает разграничить понятие об истинной жидкотекучести от прак-
% Элементна.
Фиг. 20. ж—истинная жидкотекучесть, определяемая при
постоянном перегреве (aid.aaCj) над температурами нулевой
жидкотекучести (АВ); б—практическая жидкотекучесть,
определяемая при постоянной температуре заливки, т. е.
различном перегреве (aict, изд температурами нулевой
жидкотекучести (АВ); а — жидкотекучесть определяется при
постоянном перегреве (oibi, над температурами лик-
видуса (условно истинная жидкотекучесть); г—жидкотеку-
честь, определяемая при постоянном перегреве над темпера-
турами солидуса (в|О1 параллельно линии солидуса)
тической жидкотекучести. В литературе встречаются разноречивые
определения этих понятий, что часто ведет к различным толкованиям
реаультатов соответствующих исследований жидкотекучести.
Под истинной жидкотекучестью следует понимать ту
жидкотекучесть, которая определяется для разных металлов при оди-
наковом перегреве над температурами нулевой жид-
ко текучести. При этом могут получаться различные значения тем-
пературы заливки (рис. 20, а).
Под практической же жидкотекучестью понимается
та жидкотекучесть, которая определяется уже при одинаковой
температуре заливки. При этом могут получаться различные
перегревы над температурами нулевой жидкотекучести (рис. 20,6).
Во многих случаях практики без специальных исследований труд-
но установить температуру нулевой жидкотекучести. Поэтому для
некоторого приближения к показателям истинной жидкотекучести раз-
личных металлов возможно иногда применять, вместо одинакового
Жидкотекдчет стали
47
перегрева над нулевой жидкотекучестью, одинаковый перегрев
над ликвидусом (рис. 20, в).
Таким образом, е практике жидкотекучесть различных металлов
может оцениваться либо при постоянной, одинаковой температуре за-
ливки (практическая жидкотекучесть). либо при одинаковом перегреве
над ликвидусом (условно истинная жидкотекучесть).
Влияние же постоянного перегрева над лниией солидуса, как вид-
но на рис. 20, г, не связано органически с понятием жидкотекучести.
Следовательно, оценка сравнительной жидкотекучести различных ме-
таллов по одинаковому перегреву над солидусом не имеет ни практи-
ческого, ни теоретического значения.
Оперируя приведенными понятиями об истинной и практически!
жидкотекучести, следует для анализа общего влияния жидкотекучести
на свойства отливок рассмотреть раздельно:
а) влияние основных физико-химических свойств
жидкого металла (его строения, вязкости, поверхностного натя-
жения и поверхностных пленок, суснендированных включений и газов,
характера кристаллизации, теплоемкости, теплопроводности, темпера-
туры и т. д-);
б) влияние основных физико-хнмическнх и техно-
логических свойств формы (смачиваемости ее поверхности
металлом, газотворности и газопроницаемости формы, ее конфигура-
ции, теплопроводности, прочности, состояния поверхности; величины
напора металла, условий его подвода и тому подобных факторов, свя-
занных с гидродинамическими условиями заполнения формы).
Влияние физико-химических свойств металла сказывается на всем
комплексе свойств, объединяемых понятием «жидкотекучесть». Влия-
ние же свойств формы сказывается преимущественно на её заполняе-
мости
А. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ свойств
ЖИДКОИ СТАЛИ НА ЕЕ ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ
1. Влияние вязкости н строения жидкой стали
Следует отличать динамическую вязкость жидкого ме-
талла с коэфнциентом внутреннего трения в пуазах {г/см - сек)
от кинематической вязкости v~a см^сек> гДе <?'—плот-
ность металла.
Динамическая вязкость жидкого металла оказывает большое влия-
ние как на возможность -всплывания газовых н неметаллических вклю-
чений, т. е. на получение здоровой отливки, так и на характер течения
металла (ламинарный или турбулентный), т. е. на заполняемость формы.
Влияние динамической вязкости на скорость всплывания включе-
ний усматривается из известной формулы Стокса
и = ч-4J см сек. <8)
У ч
где U—скорость всплывания включений, см/сек:
g — ускорение:
Динамическая вязкость, г/см. сек;
г —радиус включения, см;
и dBK<—плотности металла и включения, г/см\
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Динамическая вязкость металлов очень мала, а кинематическая
Даже ниже, чем у воды (табл. 5).
Таблица 5
Дипамнческая я кинематическая вязкость жидких металлов
Материал Температура, еС Динамиче- ская емкость г)см. сек Кинемати- ческая ввзкость смЧсек Автор
Вода Ртуть Железо Стаяь~0,3>/д С Ковкий чугун 3,1% С Серый чугун 4,0% С Сталь 0,45% С Сталь 2%, |2% Ст При (20° Пря температуре пс- иного выше /пл То же 1535° (на 25° выше Гил) 1555° (4-45") 1610° ( - 100°) 1340’ (на 30° выше /ил) 1405° (-1-125°) 1250° (на 1(ХР выше /пл) 1550° (на 55“ выше /лл) 1450е (на 100° выше/лл) 0.0105 0,0210 0,040 0,0285 0,0260 0,0230 0,0265 0,0190 0,0210 0,01050 0,00155 0,00556 0,00107 0,00375 0,00339 0,00379 0,00276 0,00317 0,0055 0,0085 РУФФ [101 Руфф [101 Е. Г. Швид- ковскнй и др. [11]
Для простой углеродистой стали (0,3% С), повышение перегрева
до 100° вместо 25° уже уменьшает динамическую вязкость примерно
на 20%, что практически заметно облегчает всплывание включений.
В производственных условиях значительное понижение вязкости стали
может быть достигнуто не только повышением температуры металла.
Очень большое влияние на вязкость оказывает строение жидкой стали.
В последние годы, благодаря достижениям теоретической физики
и исследованиям жидких металлов Х-лучами, внесено много нового
в понимание природы жидкого состояния. Особо значительные работы
проведены советскими учеными (акад. А. Ф. Иоффе. Я. И. Френкель,
В. И. Данилов, П. А. Ребиндер, В. К. Семенченко и др. [12, 13])
Как известно, в твердых кристаллических веществах характерно
упорядоченное и правильное расположение атомов (ионов) или их
групп. В газах же «структура» (в смысле молекулярной конфигура-
ции) может быть определена термином «молекулярный хаос».
Классическая старая теория жидкого состояния рассматривала
его, как родственное газообразному состоянию. Современные же иссле-
дования показали, что, хотя в жидкостях, как и в газах, молекулы
находятся в быстром движении, но междумолекулярные расстояния
в них того же порядка, что и в твердых телах.
Расположение молекул и атомов в жидкости не хаотическое и не
случайное, а в известной степени близкое к расположению их в твер
дых телах (ближний порядок, т. е. упорядоченное положение атомов
в пределах (нескольких соседних кристаллических решеток).
Можно -принять положение о том, что в жидкости, особенно при
температурах, близких к ликвидусу, существуют даже мельчайшие
группы микрокристаллов, имеющих строение, родственное кристалли-
ческому твердому веществу.
ЖиОкотвкучесть стали
49
Например, соответствующими точными исследованиями установлено,
что электродвижущая сила ориентированного криствлла висмута
(в паре с константаном) не исчезает при точке плавления, а продол-
жает действовать до тех пор, пока расплав не полунит известный пере-
грев.
Аналогично, рентгеновский анализ ряда чистых металлов установил
совершенно определенно, что в небольшой области выше температуры
плавления имеется расположение атомов, соответствующее структуре
твердого состояния. Я И Френкель [12] отмечает, что теплоемкость
тел почти не меняется при плавлении и что различие между жидким
состоянием и твердым кристаллическим является не качественным,
а скорее лишь количественным
Уже давно известно, что ряд веществ (р-азоксианизол, р-азокси-
фенетол, холестерилбензоат и др.) обладают как бы «двойной» точкой
плавления. При нагреве до одной точки они становятся жидкостями,
т. е. обладают текучестью н способностью принимать сферическую
форму, находясь во взвешенном состоянии в другой жидкости одина-
ковой плотности, по имеют мутный, молочный вид. При нагреве же до
второй точки, до более высокой температуры, они становятся прозрач-
ными.
Установлено, что видимая мутноватость таких жидкостей в опре-
деленном температурном интервале обусловливается скоплением многих
различно ориентированных кристаллов.
Известное распространение имеет гипотеза, предполагающая наличие
в жидком металле «с и б о т а к с и с о в», т. е. беспрерывно образую-
щихся и исчезающих групп микрокристалликов. Эта гипотеза в дан-
ное время ие разделяется сторонниками «статистической концепции»,
по которой жидкость рассматривается, как «молекулярно гомогенная»,
т. е. не имеющая определенных групп, даже непостоянней природы.
При этом, однако, предполагается, что статистическая конфигурация
молекул нлн атомов в жидкости все же показывает периодичность,
также родственную упорядоченному' положению атомов в твердом теле.
Рассматривая конкретно жидкую сталь, необходимо также еще
учесть, что температура плавления железа [535°, а температура кипе-
ния около 3000°. Максимальный перегрев, который практически может
получить сталь в процессе плавки, составляет около 200—300°. Следо-
вательно, применяемый в практике температурный интервал выдержки
н разливки жидкой стали по существу близок к интервалу затверде-
вания.
Таким образом, можно сделать заключение, что на вязкость стал и
оказывает большое влияние строение жидкой стали
не только вследствие наличия микрокристалликов,
но и взвешенных неметаллических включений (кар-
бидов, сульфидов, нитридов, оксидов и др.), а также газов.
Как указывалось, вязкость жидкой стали несколько повышается
при понижении температуры. При таком понижении температуры,
когда уже интенсивно начинается процесс кристаллизации, вязкость
смеси из твердой и жидкой фазы повышается внезапным скачком,
очень резко. Поэтому прекращение течения жидкости, т. е. «нулевая
жидкотекучесть», наступает задолго до достижения температур пол-
ного солидуса.
Так, например, по некоторым известным данным нулевая жидкоте-
кучесть эвтектических сплавов (чугун) наступает при 30% твердой фа-
зы, а «твердых растворов» (сталь) при таких температурах внутри
интервала ликвидус—солидус. когда образуется около 20% твердой
фазы.
Заказ J9. Ю. А. Нехеадви
50 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
2. Влияние суспендированных включений
В производственных условиях, при низком перегреве, жидкие ме-
таллы всегда содержат взвешенные включения и поэтому никогда не
яаляются, по определению |А. А. Байкова},физически «прозрачны-
м и» жидкостями, а представляют собой коллоидные, термодинами-
чески неравновесные системы с огромными, развитыми поверхностями
раздела.
Количество, форма, состояние (твердое или жидкое) и распреде-
1еиие всех имеющихся неметаллических включений влияют на вяз-
кость и жидкотекучесть стали различным образом.
Для коллоидных систем и случаев, когда объем суспендированного
твердого вещества достаточно мал по отношению к объему жидкой
фазы — вязкость суспензии ( ) зависит от вязкости диспергирован-
ной среды (т,) и объема суспендированного вещества (V,). (11римо-
дпнейная зависимость по формуле Эйнштейна.) Однако выше изве-
стной критической концентрации суспендирован-
ных частиц и при неблагоприятной, угловатой фор-
ме их, когда резко увеличиваются поверхности раз-
дела, вязкость суспендированной жидкости зна-
чительно повышается.
При исследовании изменения вязкости воды в зависимости от при-
садки различных количеств мельчайших частиц инфузорной земли
и графита оказалось, что текучесть ( f ) падает до нуля при присадке
|3% инфузорной земли и 5,5% графита. До этой критической кон-
центрации текучесть изменяется линейно. Текучесть прекращается при
меньшей концентрации графита по сравнению „с инфузорной землей
вследствие того, что частицы графита не являются столь округленными.
Поэтому во всех случаях, когда в жидком металле образуются
твердые кристаллические включения, его жидкотекучесть значительно
понижается. Так влияют, например, включения МпО и SiO2 в основной
стали и MnS в чугуне.
В случае же образования жидких включений (силикаты железа
и марганца), имеющих при температурах жидкой стили большой пере-
грев из-за своей сравнительно низкой температуры плавления, не толь-
ко замечается малое понижение жидкотекучести, но иншда даже по-
вышение ее. Этим объясняется известный в практике факт, что жидко-
текучесть кислой стали лучше, чем основной, даже в условиях одина-
ковой температуры.
Приведенный (пример является также одним яз объяснений того, почему «таль
следует раскислять скачала ферромарганцем, а затем ферросилицием: этот метод
раскисления облегчит получение жидких силикатов, как продуктов раскисления;
обратный метод присадки моокет дать твердые вктючеиия. Имеются специальные
эксперижлта.тьные исследования, устанавливающие повышение жидкотекучести стали
при раскнслеянн по схеме FeMu — FeSi или -прею н виде Fe—Мп—Si по сравнению
со схемой FeSi -»FeMn. В последнее время установлено, что раскисление стали
еилни<ж8льцве*< или алкаюсяликокальцием еще более повышает жидкотекучесть
вследствие образования продуктов раскисления с «экой температурой плавления,
быстро коагулирующих к легко всплывающих.
Можно привести еще много имеющих практическое значение фактов, докатыва-
ющих влияние строения жидкого металла и взвешенных включений на вязкость
и жидкотекучесть стали. Правильный аналвз влияния этих факторов необходим тля
управления процессами получения здоровых оттивок.
а) Введение азота для умельчеикя зерна в ферритную высикохромистую сталь
резко понижает иедютежучесть вследствие образования большого количества дис-
персных тугоплавких нитридов хрома |8|, рнс. 21.
б) Введение титана в ферритную выеокохромистую или аустенитную хромо-
никелевую сталь значительно понижает ее жидкотекучесть вследствие образования
дисперсных тугоплавких карбидов титана. Аналогично влияет титан на ухудшение
жидкотекучести в высокпмарглнцпвой. высококремнистой и мелистой стали |8]
Жидкотекучесть стали
51
в) Кремжй в «ержявеющей хроьвгстой и хромоникелевой стали скачкообразно
повышаег жидкотекучесть при пржзлге випе 0,6% вследствие образования жидаго-
идавких включений хромистых шпинелей 18]-
г) Присадка маргавца н серы порознь мало отражается на жидкотекучести
чугуна. Совместная же пржадка мзрглща и серы резко понижает жидкотекучесть
Рис. 21 Влияние азота я титана на жидкотеку-
честь высокохромнстой (23% Сг) кислотоупорной
вследствие образования тугоплавких включений MriS. Аналогично, десульфурация
содой доменных чугунов со значительным содержанием марганца (около 1,2%) за-
метно повышает их жидкотекучесть, что ускоряет процесс продувки их в бессемеровских
коавергердх.
д) Жидкотекучесть железа «армко» (с 0,03% С), выплавленного резко окисли-
тельным процессом, хуже, чем такого же по составу ннзкоуглеродистого шведского
железа, выплавленного на чистых первородных шихтовых материалах (из железа,
полученного примым восетаяовлетеем). Например.
( 1550 | 1575 I 1600 I 1625
I___________I____________[___________
жидкотекучесть по спирали, мм
Армко-жехезо 80 1К 1 170 । 220
Шведское железо | 140 190 270 1 350
Таким образом, динамическая 'вязкость, зависящая в зна-
чительной мере от строения жидкого металла, влияет На жидкотеку-
честь в полном комплексе, т. е. и на заполняемость формы и на полу-
чение здоровой отливки. Кинематическая же вязкость влия-
ет, главным образом, на характер движения [металла, особенно в кана-
лах малого сечения. Это положение объясняется тем, что при течении
жидкости по каналу поток сохраняет ламинарный характер движения
только до тех пор, пока скорость его движения не выше критической,
определяемой в связи с известным нз гидродинамики критическим зна-
чением "
числа Рейнолвдса
/?Сцр —
(8)
где Re — число Рейнольдса (безразмерное)
D —диаметр канала, см;
UKp—скорость движения (критическая), см,сек;
у кинематическая вязкость, см"1'сек.
Отсюда следует, что при течении данной жидкости в канале
е данным диаметром (D) критическая скорость ДО перехода в турбу-
лентный поток (L'.p) может быть допущена тем более высокой, чем
больше динамическая и кинематическая вязкость.
52
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Поэтому, с точки зрения заполняемости формы, повышение вязко-
сти в некоторых случаях может оказаться даже полезным.
Из уравнения (9) следует, что при данной вязкости критическая
скорость движения может быть допущена тем более высокой, чем
меньше диаметр канала, по которому движется жидкость.
Значение динамической и кинематической вязкости и числа Рей-
нольдса Re имеет принципиальный характер, важный для правильного
представления о жидкотекучести металла, конструкции проб для ее
определения и построения литниковых систем для отливок.
Эти соображения сохраняют свою силу для любого момента
в период заполнения формы Однако необходимо помнить, что абсо-
лютные значения вязкости ч и а также и числа Рейнольдса меня-
ются в процессе заполнения формы, вследствие понижения темпера-
туры металла.
3. Влияние поверхностного натяжения жидкой стали
В каждой жидкости атомы и молекулы, в пределах определенного
расстояния, обладают взаимным притяжением. Внутри жидкости моле-
fВерное теса
Рис. 22. Схематическое
изображение условий-
кулЫ находятся в нскотородг равновесии в
силу одинакового притяжения со всех сторон.
На поверхности жидкости имеет место не-
уравновешенный баланс молекулярных сил,
обусловливающий поверхностное натяжение
как избыток свободной энергии в поверхност-
ном слое [14]. Жидкость испытывает как бы
сжатие под влиянием тонкой, эластичной и
упругой пленки. Поверхность жидкости обла-
дав! потенциальной энергией, стремящейся
принять минимальные значения. Вследствие
этого изолированная жидкость принимает
сфероидальное состояние, характеризующееся
мнннмвльной поверхностью для данного объ-
— смьчжвакка (вверху) СМ3.
в о—смачивевпя <вниэу> Поверхностное натяжение металлов зна-
жяижостыо твердого телд г °
чительно меняется от присутствия загрязне-
ний или образования поверхностных пленок
из-за реакций с окружающей средой. Как
показали работы И А. Андреева поверхностное натяжение стали
также резко изменяется даже при небольшом изменении состава
в отношении некоторых элементов (хрома, кремния и др.) [15].
Жидкие металлы обладают большим поверхностным натяжением
и тем большим, чем выше температура плавления. Например
вода при 4-20’ имеет с=»81 дин/см серый чугуя С при 4-1301150 дин/см
олово » 4-232° > о=52в » ковкий • 2,20/0 С • -f-1420*»—1S00 »
медь » 4-1181° * с=|]03 » сталь С -j-I520°—1500 »
Жидкие металлы, не покрытые пленкой окислов,
как правило, не смачивают стенки песчаной формы.
Это означает, что металл движется в форме, как бы «накатываясь» на
ее поверхность, и что капти жидкого металла образуют со стенками
формы выпуклый мениск, имеющий тупой угол и (cos а <0).
Угол а зависит только от природы соприкасающихся тел, а не от на-
клона поверхности соприкосновения, рис 22.
Капля жадности, находясь па твердой поверхности, принимает вид а или б ни
рис. 22. Угол соприкосновения а (краевой угол или угол смачивания), образованный
касателыюй у края капли я твердой поверхностью, будет мерой смачи-
вав мости; - 3
В = cos - —————, ’ (10)
I
Жидкотекучесть стали
53
где ’ . , »*., я , являются тремя неизвестными поверхностными натяжениями
на трех контактных поверхностях итн поверхностях раздела, воздуха в, твердого Т
И жидкого тела ж.
Это уравнение, выражающее условия равновесия трех сит, приводит к тому, что;
1 — если < зв.г, то cos« <0. угол а тупой, жидкость ие смачивает,
твердое тело гвдрофобно;
II—если с.т > эр.г. то cosa>0, угол а острый, жидкость смачивает,
твердое тело гидрофильно.
В специальном случае, когда cosa = 1; п — 0, жидкость неограниченно рас-
пространяется в форме пленки по поверхности твердого тела и смачивает его
абсолютно,
При подъеме гю вертикальной стеже жидкость имеет 'выпуклую поверхность
(мениск) от точки контакта, если она не смачивает и йог утую —если смачивает.
Физический смысл уравнение (10) п ловития о смачяэввиоств заключается
в том, что жидкость смачивает, когда преобладает сцепление: жидкость -- твердое
тело (ож.г> %.,)• Если же преобладает взаимное сцепление частиц (ионов, атомов,
молекул) в жидкости, то аж_г < и жидкость не смачивает.
Твердые стенки песчаной формы, состоящие in
кремнеземистых материалов, являются гидрофобны-
ми («металлофобными») пс отношению к жидким металлам.
Смачивания не происходит, так как существует почти полная взаимная
нерастворимость между жидкостью, обладающей сродством, характер-
ным для металюв, и твердым кремнеземом, имеющим другую приро-
ду сродства. Как известно из исследований в области смазочных ве-
ществ и процессов флотации, смачивание является первой стадией
взаимодействия между жидким и твердым телом в том случае, если
между ними имеется химическое сродство [14].
Если же поверхность металла окислена и на ней имеется тонкая
пленка окислов, то;
а) окислы, которые обладают металлическим характером и сильно
растворимы в стачн (например, FeO), дают смачивание, т. е. металл
втягивается в поры стенок формы, в межзерновые промежутки фор-
мовочных материалов (положительная капиллярность):
б) окислы поливалентных металлов (и алюминаты, силикаты), мало
растворимые в стали, противостоят смачиванию, и металл проникает
в межзерновые промежутки (канальчики) формовочных смесей стенок
формы только в том случае, если они достаточно больших размеров.
Поэтому:
а) плохо раскисленная или окисленная во время разливки сталь,
имеющая на поверхности птенку окислов, Fe„O„ , может дать явле-
ние смачивания и вызвать большой прпгар формовочной смеси к от-
ливке:
б) сталь. Даже с небольшой присадкой алюминия, имеющая плен-
ку окислов с преобладающим количеством А12О3, явлений смачивания
и большого прнгара не вызывает (если только ие применяются крупно-
зернистые кремнеземистые формовочные материалы, с большими меж-
зерновыми промежутками, и если заливка не производится очень горя-
чим металлом).
Для того, чтобы несмачивающий форму металл мог продвигаться
в канале, необходимо преодолеть противодавление поверхностного на-
тяжения на выпуклом мениске металла,
-cosa гем", (11)
где о поверхностное натяжение;
т — р’адиус канала, в котором движется жидкость;
а—угол, образуемый металлом и формой (угол смачивания)
54
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Следовательно, металлу, движущемуся в канале, необходимо сооб-
щить, для преодоления сил поверхностного натяжения, излишний ме-
талло-статический напор, равный
, 2 о - COS □ , 2 а cos а 1
*
Чем больше поверхностное натяжение и больше, следовательно,
угол а, тем больше добавочный напор. Для металла с данным значе-
нием поверхностного натяжения з и угла а добавочный напор должен
быть тем больше, чем меньше радиус канала.
В канале диаметром даже 5 мм для продвижения абсолютно не-
смачивающего металла (а — 180°, cos 1 = — 1) металло-статический
напор должен быть всего 18лс«. Таким образом, влияние поверх-
ностного натяжения и смачивания на заполняемость
формы сказывается только в незначительном изме-
нении напора для движения жидкого металла. Это
влияние заметно только в отливках или литниках
очень малого сечения. В больших каналах это влияние по-
верхностного натяжения несущественно.
Значительно большее влияние оказывает поверхностное натяжение
н связанное с ним (при наличии пленок' смачивание на получение
ясных очертаний и чистой поверхности отливок.
Получению четкого отпечатка формы способствует смачивание и, сле-
довательно, низкие значения поверхностного натижендя (с) и утла
смачивания (я). Сталь, имеющая более высокие значения с и а, чем
чугун или цветные металлы, дает худшие очертания отливки. При
элементарном толковании понятия о жидкотекучести сталь оценивает-
ся, как литейный материал с худшей жидкотекучестью.
Такое обобщение по этому важнейшему литейному свойству сде-
лать, конечно, нечьзя, тем более, что большое поверхностное натяжение
стали оказывает некоторое благоприятное влияние на другие показатели
качества отливок. В частности, как будет рассмотрено ниже, большое
поверхностное натяжение благоприятствует образованию кристаллов
окру тленной формы, а не дендритов с острыми углами, препятствует
образованию газовых пузырей в жидком металле и т. п. Велика также
роль поверхностного натяжения в формировании неметаллических
включений в отливках
Влияние поверхностного натяжения приобретает особое значение
при наличии различных пленок на поверхности жидкой стали.
4. Влияние поверхностных пленок на жидкой стали
Поверхностные плепки состоят преимущественно из окислов и не-
которого количества нитридов. Окислы образуются главным образом
из-за окисления воздухом поверхностных слоев жидкого металла во
время разливки. Но известное значение в образовании их имеют также
окислы, взвешенные в жидком металле и получившиеся в процессе
плавки.
Поверхностные пленки бывают очень плотными, непрерывными
и прочными, сильно увеличивающими поверхностное натяжение.
Например, поверхностное натяжение чистого па поверхности алюминия
составляет 300 дин/см, а покрытого пленкой А12О3 — 840 дин!см. Плен-
ка А12О3 может быть настолько прочна, что выдерживает, при нагреве
и расплавлении прутка алюминия, давление жидкого алюминия, нахо-
дящегося как бы в футляре из этой пленки [16]
1 Зям мянус, хак как cos о < О
Жидкотекучесть стали
55
При присадке в сталь для раскисления даже небольшого коли-
чества алюминия образуется известное количество А12Оз, часть кото-
рого находится в виде пленок. Например, ло некоторым специальным
исследованиям, при присадке в ковш электростали 0,03% А1 обна-
ружено в твердом растворе 0,01 % AI и от 0,01 до 0,025% AI в виде
птеиок оки слов А1гОз.
Влияние пленок на качество отливок чрезвычайно вредно. Плот-
ные нерастворимые пленки резко ухудшают жидкотекучесть, запол-
Рпс. 23 Микрограмма места «заворота» поверх-
Вистной пленки отливке на стали. '< 80
няемость и отпечаток формы, затрудняют выход газов и неметаляичсг
ских включений из металла и, разрываясь под влиянием движения ме-
талла в форме, задерживаются в отливке, образуя неметаллические
и газовые вкпючения, рис. 23.
Эти включения являются одной из причин резкого снижения меха-
нических свойств, а также повеления межкристаллитного изтома литой
стали.
Уменьшение вредного влияния плотной поверхностной пленки воз-
можно только в том случае, если она будет очень раздроблена, или
если жидкий металл вынесет ее неразрушенной в прибыль. Это может
быть достигнуто соответствующим подбором скорости заполнения фор-
мы и смазкой или покрытием стенок форм различными газотворными
смесями. Такие обмазки дают газовую рубашку между металлом и
стенкой формы и, следоватетьно, обеспечивают жидкие края пленки,
что облегчает ее вынос на поверхности подымающегося металла
Создание восстановительной пли неокисляющей атмосферы в по-
лости формы благотворно влияет на предохранение стали от образо-
вания поверхностной, частично растворимой пленки металлических
окислов. Н}жно отметить, что образование пленок на поверхности
жидкого металла связано с возможностью образования подобных, пле-
нок и на поверхности твердого металла (его окисляемостью). Так,
алюминий, хром, кремний легче других элементов образуют такие
плотные пленки.
56
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
На поверхностные пленки, а следовательно, на соответствующие
характеристики жидкотекучести и качество отливок влияют метод ве-
дения плавки, способ ее раскисления, характер в распределение вклю-
чений, газосодержание. «наследственные свойства металла и т. п.
Из изложенного следует, что возможность оценки качества метал-
ла во время плавки специальной пробой на жидкотекучесть, чувстви-
тельной к влиянию поверхностных пленок, имеет большое значение.
Например, исследования процессов плавки многочисленных марок
стали показали, что только у простой углеродистой стали (0,20—0,35 % С)
показания оптического пирометра сравнительно устойчиво совпадают
с показаниями термопары (до 8°). В других же марках углеродистой
и особенно легированной стали наблюдались расхождения до 50°.
Было установлено, что лучеиспускание стали заметно меняется в зави-
симости от наличия н характера пленок на поверхности жидкой стали,
что связано с составом и количеством легирующего элемента и степенью
раскисления металла
В последнее время специальные пробы на жидкотекучесть стали
начинают служить в качестве новой технологической пробы даже при
плавочном контроле [9]. Они позволяют установить известную связь
между свойствами жидкой стали и свойствами получаемых из нее
изделий. Эта возможность, впервые установленная в СССР, имеет боль-
шое практическое и теоретическое значение.
5. Влияние газов, выделяющихся из металла
Из металла, при его движении в форме, выделяются газы. При
большом поверхностном натяжении или при прочной поверхностной
пленке эти выделяющиеся газы будут скопляться на поверхности ме-
талла. Прн завороте пленки они вскроются в охлажденной отливке
в виде поверхностных раковин.
Выделяющиеся в жидком металле в виде пузырей газы могут ув-
лекать за собой суспендированные включения и поэтому благотворно
влиять на жидкотекучесть. Однако при выделении большого количества
газов в текущем металле появляются завихрения, поток приобретает
резко выраженный турбулентвый характер, и форма хуже запол-
няется
Интенсивное выделение газов особо заметно при большом пере-
греве металла. Следоватеньно. чрезмерное повышение температуры
металла не вызывает улучшения заполняемости форм.
6. Влияние птотносги, теплоемкости и теплопровотности
жидкого металла
Уже отмечалось, что чем больше плотность металла, тем легче,
прн прочих равных условиях, всплывают в нем неметаллические и га-
зовые включения [см. формулу (8), стр. 47]. Одновременно большая плот-
ность метал та препятствует возникновению Газовых пузырей. С другой
стороны, чем больше плотность жидкого металла (d), тем меньше его
кинематическая вязкость (’ d) Следовательно, тем меньше может
быть доп}щена скорость движения металла в канале данного диаметра
(D) без опасения, чго она значительно превысит критическую скорость
(£/жг ) перехода ламинарного потока в турбулентный [см. формулу (9)].
Таким образом, высокая плотность жидкого металла
неблагоприятно влияет на жидкотекучесть.
Теплоемкость и теплопроводность жидкого металла весьма су
ществеуно влияют на характер теплообмена между металлом и фор-
Жидкотекучесть стали
мой, на скорость охлаждения металла, на длительность пребывания
его в жидком состоянии при заливке формы и, следовательно, на жид-
котекучесть.
Чем больше теплоемкость (с) и меньше теплопро-
водность (/• ), тем меньше коэфнциент температуро-
проводности X
а —
и. следовательно, тем медленнее охдаждение движущейся
струн металла и больше жидкотекучесть1.
7. Влияние формы и скрытой теплоты первичной кристаллизации
Как указывалось, нулевая жидкотекучесть наступает при таком
охлаждении металла до температур внутри интервала затвердевания,
когда происходит очень резкое возрастание вязкости, обусловленное
выявлением твердой, кристаллической фазы. На эту
жидкотекучесть влияют количество и форма твердой
фазы. Кристаллиты округленной формы и малых раз
меров беспорядочно образующиеся в различных уча
стках жидкости, будут давать 'прерывную твердую
фазу. Металл будет иметь лучшую жидкотекучесть,
чем при кристаллитах дендоитной формы, быстро
срастающихся в жидкости и легко образующих не-
прерывную твердую фазу, рис. 24.
Чистые метал ты л эвтектики Кристал тозхются
обычно в форме глобучей. в то время как сплавы
дающие твердые растворы, — в виде дендритов. В
этом кроется одна из основных причин того хорошо
известного в практике факта, что жидкотекучесть
чистых металлов и эвтектических сплавов при прочих
равных условиях, значительно лучше, чем v сплавов,
имеющих состав твердых растворов (сталь)
Однако на основании изложенного нельзя еще
сделать вывода, предложенного Портевеном и Басти-
еном, Эядрью и др. [16, 17]. что сплавы, даюшие
твердые растворы с максимальным интервалом зат-
вердевания. имеют минимальную жидкотекучесть и
Что вообще эта жидкотекучесть обратно пропорцио-
нальна интервалу затвердевания. Наоборот, прини-
мая положение о том. что нулевая жидкотекучесть
наступает где-то в температурном интервале между
ликвидусом и солидусом, следует заключить, что при
одинаковом перегреве над ликвидусом, жидкотекучест
даже повышаться с увеличением интервала затвердевания, за счет не-
которой текучести сплава ниже линии ликвидуса (см. ркс. 20, в).
Вместе с тем указанное Портевеном и Бастиеном влияние интер-
вала затвердевания обнаружится в полной мере при одинаковом пере-
греве не над ликвидусом, а над солидусом (см. рис. 20, г). В этом случае
увеличение интервата затвердевания влечет за собой автоматическое
уменьшение перегрева над ликвидусом. Очевидно, что при этом полу-
чится общее уменьшение жидкотекучести, так как алияние на жидко-
текучесть перегрева над ликвидусом несравненно бблыиее, чем влия-
ние такого же перегрева над солидусом.
1 Т»к как для многих марок обычной стали величины с и сравнительно
близки, то в дальнейшем вместо температуропроводности а рассматривается преиму-
щественно влияние теплопроводности к-
58
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Аналогичное влияние интервала затвердевания обнаружится при
одинаковом перегреве над нулевой жидкотекучестью. При увеличении
интервала затвердевания истинная жидкотекучесть будет уменьшаться,
так как будет уменьшаться перегрев над ликвидусом (см. рис 20,а).
Но увеличение интервала затвердевания, при прочих равных усло-
виях, может благоприятно отражаться, повышать жидкотекучесть, учи-
тываемую обычно только по перегреву над ликвидусом. Это возможно
во всех тех случаях, когда дополнительная жидкотекучесть внутри ин-
тервала затвердевания оказывает ббльшее влияние, чем ускорение вре-
мени затвердевания из-за неблагоприятного характера кристаллизации.
Таким образом, увеличение интервала затвердевания может не-
благоприятно влиять да истинную, но благоприятно на жидкотекучесть
практическую и при постоянном перегреве над ликвидусом.
Необходимо подчеркнуть, что влияние перегрева и интервала за-
твердевания ва жидкотекучесть определяется также обшей величиной
перегрева и положением линии нулевой жидкотекучести. Чем боль-
ше абсолютный перегрев над нулевой жидкотеку-
честью, тем меньше относительное влияние интерва-
ла затвердевания (см. рис. 20 и 228).
Для стали критическая концентрация твердой фазы, как указыва-
юсь, такова, что линия нулевой жидкотекучести лежит обычно вблизи
ликвидуса /около 20% твердой фазы для сплавов, дающих твердые
растворы). Поэтому, при больших перегревах, истинная жидкотеку-
честь может с некоторым приближением устанавливаться по одинако-
Гому перегреву над ликвидусом (сравнить рис. 20, а и 20, в).
Наконец, следует указать, что ва положение линии нулевой жид-
котекучести внутри интервала затвердевания и вообще йа жидкотеку-
честь металла большое влияние оказывает выделяющаяся скрытая
теплота кристаллизации. Чем больше ее величина,
тем медленнее протекает процесс кристаллизации,
тем больше жидкотекучесть металла.
8. Влияние температуры затвердевания и температуры заливки
металла
Затвердевание любой стали происходит не при постоянной темпе-
ратуре, а в некотором температурном интервале. Оно начинается при
температурах ликвидуса н полностью заканчивается при температурах
солидуса. Температура нулевой жидкотекучести 'внутри интервала ли-
квидус—-сосаддус зависит от количества и формы образующихся кристал-
литов. Абсолютные величины температуры затвердевания и заливки
металла оказывают подчиненное алняиие на жидкотекучесть. Только
иногда следует учитывать, что при одинаковом перегреве, чем ниже
температура заливки или затвердевания, тем меньше начальная ско-
рость охлаждения жидкого металла.
Решающее влияние на жидкотекучесть оказывает тот абсолют-
ный перегрев над температурой нулевой жидкотекучести или лик-
видуса, который определяет длительность пребывания
металла в жидком состоянии. При данной температуре залив-
ки, чем ниже температура нулевой жидкотекучести или ликвидуса,
тем больше, при прочих равных условиях, практическая жидкотекучесть.
Чем дольше металл находится в жидком текучем состоянии и чем
больше скорость его движения в канале данного сечения, тем лучше
его жидкотекучесть, определяемая длиной протекания металла в этом
канале (например, в спиральной пробе на жидкотекучесть).
Время пребывания металла в текучем Состоянии (г) слагается цз
времени пребывания его при температурах до начала кристаллизации.
Жндкотеку’ксгь втали
59
т е. выше ликвидуса (время z(), и времени от начала кристаллизации
до такой степени затвердевания, когда достигается нулевая жидкоте-
кучесть ('время гг).
За эго время х длина протекания стали в канале, при некоторой
средней скорости <7, будет.
1=£/.г=Ц «,-1-а-Гг, (12)
где U, и U2 - соответствующие средние значения скорости протекания
до и после начата кристаллизации.
Затвердевание и прекращение течения металла происходят вслед-
ствие его охлаждения стенками и воздухом полости формы. Полное
количество тепла Q, которое отдает металл за период времени z, опре-
деляется соответствующим теплосодержанием в температурном интер-
вале (f*—10) и скрытой теплотой кристаллизации в интервале (G—to).
где —температура заливки; ta —температура ликвидуса (начала
затвердевания); to—температура внутри интервала ликвидус—соли-
дус, при которой наступает нулевая жидкотекучесть.
Количества же тепла Qi и Q2, отдаваемые за периоды времени
Z| и z2, определяются для единицы объема данного металла с теплоем-
костью с н плотностью d,
Q, d-c Q.=-d c-(t, tj±ld.
где L — скрытая теплота кристаллизации того количества твердой фа-
зы, которое выделилось прн падении температуры от ta до to и вызва-
ло нулевую жидкотекучесть.
Время z, и в вцде первого приближения может быть определено
из упрощенного уравнения теплопередачи (стр. 32),
г = «.
1 <.-<ф)
И О. /J d-L
- (<, <ф> '«) ’
где я । н % 2 — соответствующие коэфицненты теплопередачи;
и£ф - некоторые средние температуры металла и формы
в периоды -времени Zj и z2.
Для j прощения вывода можно сделать практически приемлемое
допущение для течения в тонком канале о том, что коэфицненты теп-
лопередачи Я| и а3 и разность температур (tM —1$ ), характеризую-
щие теплоотдачу, одинаковы в периоды Z] и z2. Тогда полное время
течения металла в узком канале будет;
«* -М ] tt.- U а-' . 1
«1 tf- -1 (4-г*) ч (<.ч-М
_J_ а c.^-t^ + L
(13)
Полная длина потока металла в момент достижения нулевой жид-
котекучести, т, е. длина затвердевшего прутка металла в соответствую-
щих технологических пробах на жидкотекучесть, будет [см. формулу
(121J;
60
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
где U — средняя скорость потока за весь период заполнения металлом
□робы Она зависит от напора металла, метода его подвода, физико-
механических показателей формовочных материалов и ряда рассмот-
ренных выше физико-химических свойств жидкого металла.
Для данных конкретных условий скорость связана с определенной
константой, учитывающей не только перечисленные свойства металла
и формы, но и ее теплопроводность и влияние конфигурации, скрытые
в коэфициенте ai формулы (13).
Обоэначая эту константу через А, можно получить в общем виде
теоретическую формулу для определения жидкотекучести по длине
заполнения спирали или брусков:
4 d * ° -4) + ^
(14)
где X— длина заполнения спира чи или бруска;
А — константа, зависящая от фнзико-химических и технологичес-
ких свойств данного металла и формы;
d плотность металла;
с — теплоемкость металла;
(t я -t€)—перегрев заливаемого металла над температурой нуле-
вой жидкотекучести (для стали можно принять в виде первого
приближения перегрев над ликвидусом);
L — скрытая тептота кристаллизации того количества твердой
фазы, которое обусловило нулевую жидкотекучесть (для
стали можно принять около 20% твердой фазы, перерасчи-
тав на удельную теплоту кристаллизации, т. е.
L «0,2 W, где W—69,2 кал г (см. стр. 40);
(tM—tc,)— характеризует теплообмен между металлом и формой за про-
межуток времени z пребывания металла в текучем состоянии
при его охлаждении от (ждо to. Таким образом, tM — некото-
рая средняя температура металла в интервале (tA—to),
a tA —некоторая средняя температура формы за время z.
Приведенная формула для определения жидкотекучести близка по
идеям построения к известной формуле Портевена и Бастиена, изобра-
жаемой обычно -в виде
>. - « с'(|~ W 4 ₽ (15)
4 4 - 4,
с коэфициеятами аир зависящими от свойств металла и формы
к с представлениями о t как о температуре полного затвердевания
металла.
Как видно из формулы (14), эти предстааления не точны, так как
под понятием to следует подразумевать температуру ие Полного затвер-
девания, а только температуру нулевой жидкотекучести Под L следует
подразумевать не всю скрытую теплоту кристаллизации, а только ту
часть ее, которая соответствует количеству выделившейся твердой фа-
зы, вызвавшей нулевую жидкотекучесть. Кроме того, коэфициентам
« и ? не следует придавать различных значений, иначе оии могут
быть отождествлены со значениями скоростей Ui и Uz, соответствую-
щим промежуткам времени пребывания металла в жидком состоянии
Zi и z [см. формулу (12)]. Тогда получится, что промежуток времени
Zj определяется полным количеством тепла, отдаваемым металлом при
охлаждении от t, до to. az? — только скрытой теплотой кристаллиза-
ции. Этн предстввления не отвечают так полно истинному физическому
Жидкотекучесть стали
61
смыслу явлений, как соображения, заложенные в определения Zj и z2
при выводе формулы (14)
Прн выводе формул (14) и (15) не учтено трение металла о фор-
му, вызывающее известное падение напора. Из формул следует, что
при , т. е. прн нагреве формы до некоторой средней темпера-
туры металла между t, н to,—жидкотекучесть k =-jc, металл может
течь по каналу бесконечно.
Это, конечно, неосуществимо, тем более, что с возрастанием 1ф
увеличивается влияние трення. Поэтому в формуле следовало бы при-
нять, что при металл сможет течь только до тех пор, пока
сопротивление трению не станет равным напору (металлостатическому
давлению).
Принципиальное значение формулы от этого, конечно, не умаляет-
ся, так как она определяет жидкотекучесть в зависимости, главным
образом, от теплообмена между металлом и формой. Формула пока-
зывает, что жидкотекучесть металла тем больше, чем
больше:
а) скорость движения металла (L'i и L'a),
б) время движения металла zf и z2.
Последнее увеличивается с теплоемкостью с, плотностью d, скры-
той теплотой L и перегревом металла (t* —to) и уменьшается с уве-
личением разпости между средними температурами металла н формы
(t„—1# )
Наибольшее значение из указанных факторов
принадлежит перегреву металла (t„—to)-
Завнснмость жидкотекучести от перегрева имеет по формуле пря-
молинейный характер, но е действительности криволинейный, так как
вместе с изменениями Гж, меняются также значения с и d Кроме того,
должны меняться условия теплообмена между металлом и формой
[они по существу зависят от (t„ — /ф) ", а не от (t„ —14, ) , как было
принято при выводе формулы (14)).
Установленный факт, что жидкотекучесть стали не связана прямо-
линейно с температурой заливки, имеет большое практическое значе-
ние [8]. Жидкотекучесть побои стали интенсивно повышается (по
некоторой прямой) (см рис. 21, 488) лишь при повышении темпера-
туры заливки до известной критической величины. Выше этой крити-
ческой температуры заливки, различной для разных марок стали, по-
вышение жидкотекучести уже сравнительно мало. Таким образом,
температурный интервал разливки, устанавливаемый для достижения
определенной жидкотекучести стали, ограничивается извест-
ной критической температурой.
Перегибы кривых жидкотекучести стали при критических темпера-
турах заливки объясняются не только изменением ряда условий, свя-
занных с тепловым обменом между металлом н формой, но и повыше-
нием количества выделяемых из стали газов, увеличивающих турбу-
лентность потока.
Определение верхней критической температуры заливки имеет
практическое значение, так как мало эффективное для увеличения
жидкотекучести дальнейшее повышение температуры заливки неиз-
бежно вызовет в отливке ухудшение услоанй кристаллизации стали,
образования усадочных раковин, трещин и т. п. Поэтому в практике
всегда устанавливается верхний допустимый предел температур залив-
ки, обычно не превышающий указанной критической температуры.
Все факторы, алияющие на жидкотекучесть, как скрытые в коэфи-
пиеите А. так и фигурирующие в формуле, т. е. с, d, L и (t„ гф),
при изменении температуры заливки претерпевают относительно мень-
шие изменения, чем tA. Поэтому уже из формулы отчетливо представ-
62
Литейные свойства к первичная кристаллизация стали
ляется, что температура заливки (перегрев металла)
имеет решающее влияние на жидкотекучесть стали.
На основе различных исследований температур плавления и за-
твердевания стали, применяемой в производственных условиях для
фасонных отливок, возможно привести следующие даянью
Состав стали. Температура, < Интервал загвердева нип, °C
ликви- дуса солидуса]
— 0,2 . . 1525 1490 I 35
— 0,3—0,35 1520 1460 1 60
— 0,45. .... 1510 1430 80
- 0,25; Мп - 1 4 1510 1450 , 60
—0,40; Ст — 0,84 . . 1510 1450 1 60
— 0,40; Сг —0,76: Ni — 1,6 . 1510 1450 60
- 0,30: Мо — 0.60 1520 1440 80
- 0,25; Мп 1,4: Мо — 0.6 . 1500 изо | 70
Соответствующие данные о других марках стали приводятся ниж"
Б. ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМЫ НА ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ
СТАЛИ
1. Технологические пробы на жидкотекучесть стали
В данное время определение жидкотекучести стали производится
только путем установления способности ее заполнять форму. Известное
значение в оценке результатов имеет, конечно, и внешний вид пробы-
прнгар формовочной смеси, характеризующий, в определенных усло-
виях, степень смачиваемости; наличие рубцеватых швов на поверх-
ности формы, Характеризующих заворот поверхностных пленок, и т. п.
Металл заливается в полость песчаной формы, представляющую
собой обычно спираль или прямой брусок (рис, 25, 26, 27) В послед-
Рис. 25. Схема к-онсгруиц™ сш»-
ралн Кери, применяемой в Ев
роле 1вв«рху), и Зегера Кри
ннцкого. применяемой в США
(винзу)
Рис 26. Прямой брусок для определенна
жидкотекучести стали системы Руффа
J Рассмотрение деталей конструкций и размеров спиралей опускается, тан kjk
они подробно приведены в методическом руководстве по лаборатории дисциплины
«Литейное яроызводство», составленном кафедрой «Литейное производство» Ленин-
градскою чолитехничеекого института им. М И Климина.
Жидкотекучесть стали
63
нее время в СССР предложена новая U-образная проба, заливаемая
в металлическую форму (рис. 27) (9].
Рнс 27. U-обрвзная проба для определения жяд-
котекучестн стал», заливаемая в металличе-
скую форму (Нехеидзи и Самарин)
Первое упоминание в мировой литературе об испытании текучих
свойств жидкого «металла путем заливки специальных пластин имеется
в известном труде профессора Харьковского технологического институ-
та В. Н. Кнаббе «Технология металлов», изданном в 1896 г. В 1902 г.
начали применять вместо пластин клинья, и лишь в 1919 г. появились
первые работы по применению спиралей для серого чугуна. Конструк-
ция спиралей для различных -металлов была усовершенствована в по-
следующих «работах ряда исследователей В СССР для стали примени
лись спирали конструкции Н. С. Креща невского (см. стр. 703), Ю. А.
Нехеидзи и Б. Д. Хахалина (см. рис. 29), Г. В. Белявского и др.
Основное влияние на получаемую длину спирали, оказывает абсо-
лютный размер сечения канала пробы и отношение площади сечения F
к его периметру Р. Увеличение площади сечения так же, как и уве-
личение отношения "jp, приведенной толшнны, удлиняет время пребы
ван ня металла в жидком состоянии.
Для увеличения длины спирали важно не столько увеличение абсо-
лютных размеров сечения F, сколько отношения т. е. приведенной
толщины. Эта толщина, как указывалось, является определяющим
фактором для скорости охлаждения металла в форме^
Указанное влияние на длину спирали величины для чугуна на-
ряду с другими элементами влияния формы было впервые установ-
лено исспедованием 11. Г. Гнршовича и Е. К. В иди на 118J.
64 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Результаты соответствующего исследования для стали лредстаале-
ны в табл. 6.
Таблица 6
Влияние размеров спирали на жидкотекучесть стали малого бессемерования
с 0,40% С; 0,80% Мп [17}
Размеры спирали, мм сечения1* |11<:Р1НметР м Отношение Длина спи-
ширияе Ъ | высота Л С | мм | жм | Рали мм
Сечение трехгран-
иое
Сечепие трапецеи-
дальное
10
Интенсивность влияния размеров спирали нь получаемые показа-
тели жидкотекучести столь велика. что не уступает влиянию перегрева
металла. Так, например, сталь состава табл. 6 при различных темпера-
турах заливки показала следующие длины спиралей [17].
Температура эа-
яи аки,*С
Длина спирали
мм
Иим Яиам, идущий
ВИврх am конца
Спирали
Рис. 28. Спираль для определения жидкотекуче-
ста стали с прямым литником и специальным
резервуаром, обеспечивающим постоянство
пора (Тэйлор, Рояняскнй и Бриггс!
Основной идеей подбора размеров спиралей является обеспечение
таких длин их при заливке сталью, которые достаточно резко меня-
лись бы при изменении
температуры и состава
металла. Поэтому разме-
ры каналов спирали де-
лаются обычно сравни-
тельно большими (см.
например, спираль для
стали на рис. 28 [3]).
Необходимо отме-
тить, что в данное время
имеется так много раз-
личных конструкций спи-
ралей, что нельзя произ-
вести сравнение получае-
мых результатов по аб-
солютным показате-
лям жидкотекучести раз-
личных исследований.
Это станет возможным
только прн стандартиза-
ции изготовления и заливки, так
как показатели жидкотекучести зависят преимущественно от условии
теплоотдачи металла. На основе многочисченных работ можно во
всяком случае определить, что оптимальное сечение спирали должно
быть от 50 до 100 мм2, а длина около 1500 мм. При этом, в связи
с условиями разъема опок, наилтчшая форма спирали полукруглая или
трапецеидальная.
на-
ции размеров спиралей, методов их
Жидкотекучесть стали
65
Спираль является наилучшей пробой для исследовательских работ
по определению жидкотекучести стали в зависимости от различных
условий. Но для текущего контроля в производственных условиях ка-
чества стали идентичного со-
става спираль имеет ряд су-
щественных недостатков, огра-
ничивающих ее применение.
Для изготовления форм спи-
ралей расходуется сравни-
тельно много формовочных
материалов, причем требуется
известное постоянство состава
и свойств их; формы должны
устанавливаться строго гори-
Рлс 29 Спираль для опрече.чеиня жилке-
текучести стали с обычной простой во-
ронкой и сливньш резервуаром, обеспечи-
вающим постоянство напора
(Нехеидзи н Хахални)
зонтально, и для уменьшения
влияния различной высоты
струи необходимо применять
специальные сливные устрой-
ства (рис. 28 и 29 [19]}; рас-
ход металла настолько высок.
что зачерпнуть сталь ложкой в печи для налива пробы чрезвычайно
трудно (проба рис. 28 требует минимум 5 кг} и т. д-
Поэтому для плавочиого контроля стали данной марки, в особен-
ности для определения влияния и оценки таких элементов жидкотеку-
чести, как вязкость, поверхностное натяжение н поверхностные пленки,
могут оказаться во многих случаях весьма целесообразными техноло-
гические пробы на жидкотекучесть в виде прямого бруска диаметром
~5 мм (рис 26) или в виде U-образиого бруска диаметром 6 мм,
заливаемого в металлическую форму (см. рис. 27).
Эти пробы, отбираемые обычной ложкой из печи по ходу плавки,
лишены указанных недостатков спиралей, но пригодны только для це-
левых назначений, так как менее чувствительны [9].
Было проведено сравнительное исследование заполняемости спи-
рали 11 X 7 мм и брусков 11 X 7,5 и 10 мм.
Прямой брусок диаметром 5 мм дает длину заполнения около 40%
от спирали, а брусок с тем же сечением (11 X7), что и спираль,—
115 % заполнения. Это -показывает, что постоянно меняющееся направ-
ление спирали оказывает известное влияние на сопротивление потоку
металла.
Основным недостатком прямых брусков малого сечения, кроме
указанной низкой чувствительности, является также отсутствие конт-
ролируемого ферростатнческого напора (в пробе Руффа) и дезавуиро-
вание некоторых элементов жидкотекучести, вскрываемых при заливке
проб более значительным количеством металла.
Для ликвидации этих недостатков могут быть применены специаль-
ные пробы, рис. 30.
Металл прямо из ковша поступает в чугунную изложницу, откуда
сифоном заполняет 4 прямых бруска диаметром 5,5 мм. На каждую
пробу идет около 60 кг металла, что дает известную уверенность в по-
лучении средних характеристик свойств его в ковше. Заполнение брус-
ков происходит с минимальной турбулентностью, спокойно, при посто-
янном напоре.
Однако абсолютные размеры их чрезвычайно малы, что ограничи-
вает применение данной пробы из-за малой чувствительности (табл. 7).
5 3*X*S 79 Ю. А. Нехгад»
66 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Состав стали Теппера тура зв- Длина каждого бруска *
с Мц Л м к
№ проб оптичес- кому пи- рометру “С 1 2 <5 4 t Средний [ длин«, л Примечание
1 2 0.27 0,6» о.зе 1610 1539 24,5 5,9 24,1 8,6 20,3 8,6 22.2 9,2 22,8 8.8 Емкость ковша 27 пг. Промежуток между пробами 1 и 2-й составляет 30 мин.
3 4 0,29 0.71 0,39 1595 1595 18,7 20,6; 19,7 18.7 19,7» 17,Я 23,8 18,4 20,5 18,9 Емкость копит 27 т. Слито 6 т, после чего пробы 3 и 4 залиты одна зз другой.
Проба Крона и Лорнга из всех известных проб на жидкотекучесть
наиболее сложна в изготовлении. U образная проба, заливаемая в ме-
таллическую форму (см. рис. 27), имеет ряд существенных преиму-
ществ, особенно для применения на площадке печи в качестве конт-
рольной технологической пробы. Показателями жидкотекучести в дан-
ной пробе являются высота подъема уровня стали в тонком канале
диаметром 6 мм и внешний еид пробы. Конструкция и метод заливки
пробы (высокий входной канал, постепенный переход в тонкий, уста-
новка специальной всплывающей пробки в воронку и т. п.) делают
независимыми показатели жидкотекучести от некоторых переменных
условий заливки (высоты расположения ложки, скорости ее опорож-
нения к т. п.). Поэтому проба дает хорошо воспроизводимые резуль-
таты, значительно лучше, чем в бруске Руффа, а чувствительность
большую, чем в пробе Крона в Лорига [9].
Жидкотекучесть стали
67
Пробу Сандерса и Кэйна (рис. 30), подобно пробе Крона и Ло-
рнга, можно заливать нз ковша, наряду с другими опоками. Проба
формуется в обычных опоках теми методами, которые приняты в дан-
ном производстве. Длинный литниковый код с тремя поворотами при-
ближает условии заполнении к реальным отливкам. Показателем жид-
котекучести стали по этой пробе является вес металла, заполнившего
плиту а (около 10 кг прн хорошей жидкотекучести). Ч*'- •
2. Подвод и напор металла в пробах на жидкотекучесть
Для получения достаточно правильных и воспроизводимых резуль-
татов испытания жидкотекучести пробы спирали и брусков должны
иметь правильно обоснованную систему подвода металла. Для иллю-
страции резкого влияния подвода металла и его напора мм;но при-
вести данные специального исследования, табл. 8.
Таблица 8
Жидкотекучесть стала м ковкого чугуив, определяемая □ спиралях
с различным помолом металла [10]
Средняя длина
спирали, мм .
147 933 647 1261 548 1230 753 1365 616 1314
Жидкотекучесть
стали по отно-
шению к чугуну
(среджяя) . . .
1,8 I 2.1
При заливке с литниковой чашей длина спирали нз чугуна в шесть
раз больше, чем из стали, в то время как при заливке через обычную
воронку длина спирилн больше уже только в два раза.
Вследствие более высокой температуры плавления и меньшего
перегрева, сталь стынет в литниковой Чаше значительно быстрее, чем
чугун. Поэтому для стального литья при заливке форм следует при-
менять воронки вместо литниковых чаш.
При подводе металла через литниковую воронку непосредственно
в торец спирали, без литникового рожка, металл проходит небольшой
путь из стояка и отношение длин спиралей составляет 1:1,8, т. е. жид-
котекучесть стали не кажется уже столь низкой по сравнению с чугу-
ном. Поэтому дли лучшего заполнения формы следует
применять короткие литниковые ходы.
При более высоком стояке (твбл. 8, эскиз 5), когда металл сильно
охлаждается до поступления в спираль, условия ее заполненяя ухуд-
шаются и отношение длин спиралей вновь становится 1:2,1. При
€8
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
этом ликвидируется благотворное влияние высокого стояка, увеличи-
вающего напор металла (рнс. 31). Здесь видно влияние чрезмерно
высокого стояка на
заполняемость формы Несмотря на казалось бы
больший напор, нижние спирали имеют значи-
тельно меньшую длину, чем расположенные в
верхних горизонтах стояка.
Аналогичное влияние на заполняемость фор-
мы оказывает большая высота стояка при си-
фонной заливке (рис 32) В противоположность
заливке сверку (см. рис. 31), вследствие обрат-
ного температурного градиента, уже нижние
Рис. 31.
Влияние вы-
соты стояка
(напора) на
заполняе-
мость спи-
ралей из
СТ2Л1
Гадфяльда
Рис 32. Влияние высоты от-
ливки, при сифонном ее за-
полнении, на заполняемость
спиралей из углеродистой
спирали имеют большую длину (более высокая температура метмла
в нижних горизонтах).
Поэтому в производстве стальных отливок при подводе металла
сверху вли сифоном (что зависит от многих рассматриваемых ниже
условий) для лучшего заполнения формы следует стремиться к м и-
ннмальной высоте стояка при верхней заливке и к ус-
тановке добавочных «этажных» питателей прн сифон-
ной заливке.
3. Движение металла в пробах на жидкотекучесть
Наиболее благоприятные условия заполнения формы получаются
при отсутствии внхравых движений в потоке Однако в первые момен-
ты заполнения спиралей нли бруска металлом получается резко выра
женный турбулентный поток.
Специальными исследованиями установлено, что в определенных,
частных условиях движения, сталь (с 0,3% С) имеет критическое зна-
чение числа Рейнольдса /?екр=3500, а ковкий чугун 7000 [10].
Таким обравом, сталь может легче переходить в турбулентное
движение, чем чугун.
Жидкотекучесть стали
69
В бруске диаметром 5 мм критическая скорость, при которой по-
ток еще сохраняет ламинарное движение, будет для стали:
Il _Re* 3500-0,00375 ос„ ,
L«p cr =—d~=----------о~5----=260 мм[сек,
а для чугуна, при том же перегреве —
г! 7000 0,00351 ,„п ,
Д, -----------si------=492 мм!сск.
Эти значения скорости получаются при металлостатическом напоре
всего в
2?
2ве«
2-981
.=3,43 мм
для стали и в
< -У
йчуг =
2?
492»
2-981
= 12,2 мм
Рис. 33. Сужение спнрал< вслед-
ствие большой турбулентности
при заполнении форм
для чугуна.
С учетом трения металла о стенки формы и других гидравличе-
ских потерь, для достижения 17кр нужны фактические значения Л ,р
значительно ббльшне, чем получились при расчете. Однако очевидно,
что тот минимальный напор и та ми-
нимальная высота. которые дает стояк,
настолько велики, что всегда опреде-
ляют только турбулентный характер
виження стали в формах.
Прн резко турбулентном движе-
нии центральная часть потока может
приобрести очень большую скорость и
удаляться от затвердевающего по
стенкам формы металла. В результате
этого в спиралях образуются харак
терные раковины» н сужения, рис. 33.
Для уменьшения турбулентности
потока стали литниковые ходы иногда
делают по возможности малого
диаметра (тонкие «карандашные»
системы). Уменьшение сечения кана-
ла, как видно из формулы (9), позво-
ляет, прн прочих равных условиях,
повысить критическую скорость дви-
жения, определяющую переход потока .. г ...
На движение металла существенное влияние оказывает также тре-
ние его о стенки канала (формы).
Если стенки формы обладают газотвораой способностью, то обра-
зующаяся газовая рубашка между металлом и стенками формы
уменьшит трение и улучшит протекание металла. В данном
случае показательно сравнение заливдн стали в рырые и сухие формы
(табл. 9).
ламинарного в турбулентный.
70
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Таблице S
Сравнительная жидкотекучесть стали при заливке в сырые и сухие формы
Темпера- турп заливки. °C Форма Длина заполнения спирали, мл Темпера- тура заливки °C Форма Длина заполнения спирали, мм
1570 Сухая 515 1625 Сухая 600
Сырая 580 Сырая 700
1600 Сухая 575 1650 Сухая 665
Сырая 750 Сырая 775
Прн очень большой газотворной способности стенок формы про-
явится уже вредное влияние газов н жидкотекучесть уменьшится,
что видно нз исследований Н. Г. Гнршовича и Е, К. Видина
[18], рис. 34.
Чрезмерное увеличение паров воды вызывает сильное охлаждение
металла. Для легкоплавких металлов вредное влияние паров воды ска-
зывается настолько рез-
ко, что превышает даже
благотворное влияние
газовой рубашки. Поэто-
му жидкотекучесть лег-
коплавких сплавов в су-
хих формах всегда луч
ще, чем в сырых.
Необходимо отме-
тить что для жидкотеку-
чести стали рассматрива-
емые факторы не имеют
такого значения, как для
чугуна или цветных ме-
таллов, вследствие боль-
шого ее теплосодержания
из-за высоких темпера-
тур заливки. 'Поэтому при
производстве тонкостен-
ных стальных отливок
для лучшей заполняемо-
сти часто применяют
сырые формы.
Воздух, вытесняемый
мз полости формы заливаемым в нее металлом, должен свободно
удаляться. В противном случае создается газовая подушка, пре-
пятствующая течению металла, вызывающая брак отливки — так назы-
ваемый «недолив».
Наилучшая вентиляция формы достигается выпором. В этом слу-
чае газопроницаемость стенок формы имеет подчиненное значение.
При производстве стального литья особое внимаине должно уделяться
специальной вентиляции формы, а также газопроницаемо-
сти формовочных смесей.
Гладкие стенки формы могут играть некоторую роль в повышении
жидкотекучести только для тонкостенных отливок (табл. 10).
J^udKomyvcn стали
71
Таблица 10
Вланняе размеров зерна песков на жидкотекучесть стали
№ образца Температура задники °C Материал формы. Размер зерна по ситам АФА Длина заполнении спирали, мм
1 1536 63 500
3 1330 508 515
3 1560 $ 625
4 1565 650
5 1615 63 800
6 1690 76 825
Однако влияние поверхности стенок формы сравнительно невелико,
потому что во время движения металла на стенках формы образуется
тонкая корочка затвердевшего металла и движущийся жидкий металл
испытывает трение уже о поверхность этой корочки (табл. П).
Таблица 11
Образование koj эчкн ва сггниах бруска диаметром 8 мм прн заливке его чугуном
н сталью JfOJ.
Толщина образующейся корочки зависит от условий теплообмена
между металлом и формой. В этом отношении теплопроводность фор-
мы имеет большое значение. В металлической форме толщина обра-
зующейся корочки будет вначительно ббльшей, чем в песчаной.
Кроме толщины образующейся корочки, на движение металла
в тонкостенных отливках оказывает влияние форма кристаллов
корочки, опредетяемая составом затвердевающего металла.
4. Показатели пробы на жидкотекучесть
Рассмотренные пробы на жидкотекучесть дают показатели, харак-
теризующие преимущественно способность металла к заполнению фор-
мы. Брусок и U-образная проба дают также возможность получить
известное суждение о специальных физико-химических свойствах жид-
кой стали.
Для иллюстрации можно привести следующие данные из практики
работы одной иностранной литейной.
72
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Для заливки первых нескольких форм
нз электростали через лно ковша:
Массивные отливки с толщиной стенок 100—150 мм
Средине » • » » 15—50 •
Тонкие » • • * 3—6 »
Очень тонкие отливки, заливаемые из
ручных ковшей
Бруски (см. рис. 26)
должны иметь длину
о пробе их лечи перед
выпуском:
175—250 мм
250-325 »
315-375 .
больше 350 •
В другой сталелитейной после предварительных статистических
исследований в конкретных местных условиях спирали рис. 28 уста-
новили, что отливки, залитые нз дуговой электропечи, имели много
брака, если длина спирали была меньше 500 мм. Брак был мал,
когда длина спирали превышата 650 мм. В интервале 500—650 мм
колебания в количестве брака носили эпизодический характер.
Роль пробы на жидкотекучесть, как технологической пробы оценки
качества жидкой стали, проявилась еще более ярко на наших заводах.
На основе специальных исследований U-образной пробы (см. рис. 27)
установили, что для обеспечения высоко 'о качества сутунки из основ-
ной мартеновской стали хромансиль U образная проба перед выпуском
должна иметь длину 150—180 мм. При меньшей длине пробы металл
оказывался сильно загрязненным неметаллическими включениями, что
давало повышенный брак по трещинам при прокатке и по низкой пла-
стичности при механических испытаниях [9]. На другом заводе отлив-
ки из специальной стали также имели низкие свойства, если проба
оказывалась длиной -меньше 150 мч.
Уже указывалось, что все показатели жидкотекучести по любой
пробе имеют только относительный характер для конкретных мест-
ных условий. Но, как видно нз приведенных примеров, они для д а п-
ных условий могут служить для оценки качестве соответствую-
щих отливок, а также для условий оценки сравнительных свойств
металла различного состава и температуры.
При сравнительной оценке жидкотекучести различных марок стали
для производственных условий имеет значение прежде всего практиче-
ская жидкотекучесть, т. е. жидкотекучесть, определяемая при постоян-
ной температуре заливки. Во многих случаях практическая жидкотеку-
честь одного металла может оказаться лучше, чем у другого, в то вре-
мя как истинная жидкотекучесть, т. е. жидкотекучесть, определяемая
при постоянном перегреве над ликвидусом, окажется хуже.
При этой большое значение будет иметь абсолютная величина
перегрева в обоих случаях, твк как из изложенного и из рис. 20 сле-
дует, что чем больше перегрев, тем меньше влияют на показатели
жидкотекучести интервал затвердевания стали, характер и форма ее
кристаллизации. Многочисленные иллюстрации этого положения, важ-
ные для практики, приводятся ниже, при рассмотрении влияния состава
стали на ее жидкотекучесть.
ГЛАВА HI
ПЕРВИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ В ОТЛИВКАХ
Первичная кристаллизации протекает при охлаждении отливки
в температурном интервале затвердевания металла. Она оказывает
большое влияние на свойства литого изделия, не подвергаемого в даль-
нейшем никакой обработке давлением. Процесс первичной кристалли-
зации влияет не только на строение металла при вторичной кристалли-
зации а следовательно на физические н химические свойства отливок:
он влияет также на получение здоровой отливки, в частности, на об-
разование усадочных раковин, газовых и неметаллических включений,
горячих и холодных трещин.
Процессы первичной кристаллизации чрезвычайно многообразны,
а получаемое строение отливки зависит от многих факторов. Зерна
первичной кристаллизации, даже г таких простых отливках, как сли-
ток, охлаждаемый со всех боковых сторон в одинаковых условиях,
могут резко отличатьсятго величине и форме
Значительно сложнее проходит процесс кристаллизации в фасонной
отливке, имеющей более сложную конфигурацию, слиток, и охлаж-
даемой неравномерно. *•
Свойства отливкн в целом определяются не только свойствами ме-
талла, но и конструкцией отливки, литейными дефектами, чистотой
поверхности, механической обработкой и т. д.
Свойства же металла в отливках определяются природой и
свойствами отдельных криста ллитов и природой
их связи (межкристаллитной). Поэтому в процессе первичной кри-
сталлизации необходимо добиваться высоких свойств не только вну
тренних, но н наружных, пограничных зон образующихся кристаллитов.
В твердом металле кристаллическое состояние характеризуется
упорядоченным положением позитивных ионов в решетках. Эти ионй
удерживаются взаимным притяжением посредством «гвзв* (негатив-
ных) валентных электронов, рвсположенных между ними В жидком
металле те движущиеся атомы, находящиеся в неупорядоченном поло-
жении, которые обладают нанмгаьшей свободной энергией, способ-
ствуют росту имеющихся зародышей кристаллизации или образуют
новые. Малые зародыши образуются при тепловом движении и стол-
кновении атомов более часто, ио теории вероятности, чем крупные.
Однако для того, чтобы в малом зародыше сохранилось упорядо-
ченное положение атомов и он мог расти путем систематического на-
ряптения на его поверхности Других атомов Кз окружающей жидко-
сти,__ необходима некоторая минимальная величина свободной энер-
гии В малых зародышах эта энергия может оказаться, из-за малого
количества атомов, недостаточной для сохранения поверхности. В этом
случае малый зародыш окажется неустойчивым, он растворится _в окру-
жающей его жидкости. Для того, чтобы? лародыш был устойчивым.
74
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
он должен иметь определенный критический размер поверхности
(объем).
Энергия, выделяющаяся прн затвердевании, проявляется в виде
определенного количества отдаваемого тепла. Она соответствует тепло-
содержанию стали над температурой солидуса и скрытой теплоте кри-
сталлизации при прохождении интервала ликвидус — солидус. Воз-
можно также выделение известного количества тепла в результате ка-
ких-либо экзотермических реакций, протекающих прн затвердевании
стали.
Это тепло отводится из устойчивого зародыша кристаллизации
стали, имеющего форму элементарного куба, более интенсивно через
ЗатбпрдеВпние
ОтВод тепла
ЗврвВыи
Рис, 35. Схема образования и роста
дендритов стали прн затвердевании
его ребра, чем через грани. Поэтому ребра куба являются в первую
очередь местами наращения новых атомов нз окружающего жидкого
металла. Форма зародыша кристаллизации стали принимает постепенно
вид дендрита, рис. 35.
Возникновение и развитие подобных дендритов нз соседних заро-
дышей взаимно ограничивают возможности роста (см. рис. 35). В ре-
зультате, при полном затвердевании получается конгломерат неразвив-
шнхея кристаллов — дендритов, называемых кристаллитами или
зернами. Между ними находятся границы зерен, состояние ко-
торых определяет указанную выше межкристаллитную связь.
Получаемое строение может иметь ярко выраженный крупно-
кристаллический, дендритный характер, либо мелко-
кристаллический, глобулярный характер, либо смешан-
ный той или иной комбинации. В зависимости от условий, кристал-
литы могут быть ориентированы по отношению к тому теплово-
му потоку, который устанавливается между металлом и стенками
формы.
Некоторые типичные примеры строения при первичной кристал -
чизации отливок из высоколегированной ствли представлены на рис, 36.
стали
Первичная кристаллизация стали в тливках
75
змер поверхности
эявляется в виде
твегстзуег тепло-
вой теплоте кри-
-солидус. Воз-
в результате ка-
)н затвердевании
кристаллизации
интенсивно через
К
у
7
лнются в первую
ающего жидкого
имает постепенно
в соседних заро-
Г. рис. 35). В ре-
омерат неразвив-
ллитами или
[•и, состояние ко-
о связь.
енный крупно-
либо мелко-
либо смешан-
словий, кристал-
к тому теплово-
лом и стенками
)вичной кристал-
влены на рис. 36.
76
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Крупнокристаллическое, направленное по тепловому потоку, ори-
ентированное, столбчатое строение, дающее картину резко
выраженной, грубой транскрист ал ли займи стали, видно иа
рис. 36, аОно характерно для некоторых сортов легированной ста-
ли, получается для них в любых условиях охлаждения, при любых тол-
щинах стенок отливки п является неудовлетворительным.
Также крупнокристаллическое, но уже не столбчатое, а б е з р а з-
л и ч н о-о риентнр.о ванное строение представлено на рнс. 36, б2.
Здесь кристаллиты не имеют вытянутой, дендритной формы, а более
или менее равноосны. Чем толще стенки отливки, тем крупнее равно-
осные кристаллиты, перерастающие в столбчатые (см. рис. 36,6).
Безразлично-ориентированное, хотя бы и крупнокристаллическое стро-
ение обеспечит более высокое качество отливки, чем грубое транскри-
сталлизационное, рве. 36, а. Также безразлично-ориентированное, но
уже мелкокристаллическое, чисто глобулярное, строение пред-
ставлено на рис. 36,в, сохраняющее свой характер в отливках даже
с большими толщинами стенок. Такое строение является наилучшим
и называется квазинзотропным (как бы однородным),
так как, несмотря на неоднородность свойств каждого кристаллита
я отдельности, конгломерат их обладает однородными свойствами
в различных направлениях. Отливки, имеющие квазиизотропн<
строение, наиболее качественны.
Часто встречающееся строение стальной отливки, состоящее из
трех зон: наружной, очень мелкозернистой, глобулярной
корки; средней — столбчатой, ориентированной по тепловому пото
Ку зоны крупных или тонких дендрвтиых кристаллов; внутренней
зоны, состоящей из безразлично-ориентированных, равноосных
кристаллитов, имеющих более крупные размеры, чем в наружной кор-
ке, представлено на рте. 36, г н 231.
В отливках могут быть различные сочетания формы и размеров
кристаллитов. Например, в практвке автора были случаи, когда наруж-
ная мелкозернистая зона сразу переходила во внутреннюю крупную
равноосную, без появления промежуточной зоны столбчатых кристал-
литов, рис. 87.
В отливках, залитых в кокильные формы с различной скоростью
охлаждения со стороны наружных металлических и внутренних песча-
ных стенок, строение при первичной кристаллизации будет иметь свое-
образный харвктер. Для того, чтобы изучить условия и возможности
получения перечистенных разнообразных строений, необходимо рас-
смотреть механизм процесса первичной кристаллизации стали в фа-
сонных отливках.
В общем виде можно кратко сформулировать, что процесс пер-
вичной кристаллизации в отливках определяется составом, темпе-
ратурой и строением жидкого металла, условиями
его заливки и последующего охлаждения в форме.
Эти же характеристики свойств металла и формы влияют и на
размеры и форму зерен, зависящие от:
а) числа н распределения зародышей (центров) кристаллизации;
б) направления -и скорости роста кристаллов.
1 Из дипломной работы П. В Манина «Исследование нержавеющей стали, ус-
тойчивой в серной кислоте*. выполненной на кафедре «Литейное протводство».
Ленинградского политехнического института. |936.
Из дипломной работы С. В. Чулковз «Первичная крнсталлизании еысокохро-
ввютой стали», выполненной на кафедре «Литейное производство», Ленинградского
политехнического института, 1938,
Первичная кристаллизация стаям в отливках 77
ly потоку, о p и-
картину резко
таЛи, видно иа
ированной ста-
при любых тол-
м.
ое, а б е з р а з-
' на рис. 36,6s.
|)ормы, а более
крупнее равно-
см. рис. 36,6).
ллическое стро-
эубое транскри-
гированное, но
строение пред-
отливках даже
тся наилучшим
инородным),
го кристаллита
ми свойствами
квази изотропное
Рис. 37. Межкристаллитный «радовнс-п^А» излом крупной отливки иг никелевой
стали (3% Ni) с мелкозернистой наружной зоной, переходящей непосредственно
во внутреннюю крупнокристаллическую зону, гЛ И. в.
, состоящее из
лобулярной
тепловому пото
внутренней
равноосных
наружной кор-
мы и размеров
и, когда наруж-
ннюю крупную
гатых кристал-
чиой скоростью
гтренних песча-
дет иметь свое-
и возможности
еобходимо pac-
iii стали в фа
о процесс пер-
1 вом, темпе-
условиями
я в форме.
влияют и на
Следовательно, процесс первичной кристаллизации определяется
как физико-химическими свойствами металла, так и технологическими
особенностями формы.
кристаллизации;
1веюшей стали, Vе-
юе производство».
шзацня гысскохро-
», Ленинградского
А. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ЖИДКОЙ СТАЛИ НА ПЕРВИЧНУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ ЕЕ
В ОТЛИВКАХ
Изменение температуры, состава и строения жидкой стали ведет
к изменению ее вязкости и поверхностного натяжения, теплосодержа-
ния и интервала затвердевания, способности к диффузии, переохлаж-
дению и т. д. Рассматривая влияние основных факторов на кристал-
лизацию, необходимо в первую очередь остановиться на процессах
самопроизвольной и вынужденной кристаллизации стали
в отливках.
7в Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
1. Влияние температуры, состава и строения жидкой стали
на самопроизвольную и вынужденную кристаллизацию
в отливках
Широко известная теория Таммана только частично применима
для действительных условий кристаллизации стали в отливках. Основ-
ные положения теории Таммана заключаются в самопроиз-
вольном и внезапном образовании центров кристаллизации при
переохлаждении сплава. Теория также определяет зависимость
между числом этих центров кристаллизации (КД), скоростью ч’истал-
лиэацми (С/С) и степенью переохлаждения сплава.
В реальных же условиях, в жидкой стали, прн температурах выше
плавления, т. е. При температурах вне области переохлаждения, всегда
имеются различные зародыши кристаллизации. Больше того, современ-
ные методы получения качественных отливок часто основаны на пря-
мом введении в жидкий металл искусственных зародышей кристалли-
зации для умельчения строения отливки
Кроме того, теория Таммана предполагает спокойное за-
твердевание жидкости, без конвекционных и концертрацнон-
ных потоков, и равномерное распределение 7^\п*’7':тур по ’зсгму кри
сталлизующемуся. объему. При таком <и <ич1 ом» вждении.
с милым температурным градиентом, кристаллы «могут действительно
образоваться внезапно, во всей массе жидкости. Они будут обладать
равномерным ростом во всех напраалеииях, определимым тглько век-
ториальностью свойств кристалла. Получится безразлично-ориентиро-
ванная и равноосная структура — наилучшее строение при первичной
кристаллизации в отливке.
Однако в практике обычно бывают значительные колебания тем-
ператур в кристаллизующемся объеме Они получат, гея как вследствие
анизотермического охлаждения со зьлчительним гемпературиым грв
диентом, так и вследствие выделяют* я теплоты кр । ллизацки, кон
векцнонных т «. >в в жи ком мета”те, его печемешиоапия при турбу-
лентном заполнении формы и т д
Поэтому в отливке сначала образуются центры кристаллизации
в зонах с наиболее низкими температурами (у стенок формы). Обра
зующиеся кристаллы растут в направлении отвода тепла к зонам бо-
лее высоких температур (центральная и правильная части отливки).
Таким образом, наличие рвзлячных зародышей кристаллизации
уже в жидком металле, известное движение его и охлаждение с опре-
деленным температурным градиентом заставляют рассматривать про-
цесс первичной кристаллизации стали в отливках преимуще-
ственно как вынужденный, а не самопроизвольный.
При этом нужно отметить, что образование самопроизвольных цен-
тров кристаллизации стали в отливках не следует связывать обяза-
тельно с состоянием переохлаждения всего объема металла. Даже
при средних для всего объема более высоких температурах жид-
кого состояния, чем это требуется состоянием переохлаждения, само-
произвольные зародыши могут образоваться вследствие происходящих
в жидкости непрерывных и естественных местных флюктуаций1 кон-
центрации, плотности и температуры металла*.
Следует подчеркнуть, что хотя современные исследования и. до
называют большую способность мягкой стали к переохлаждению (до
1 Флюктуация — колебания, отклонения от среднего срстояния системы.
1 Самопроизвольное образование зародышей рассматривается более подробно
в гл. IX о вторичной дрвстаялязацки стали.
Дервичная кристаллизация .стали в отливках
79
250° при 0,01% С), однако в практических условиях переохлаж-
дение больших масс стали невозможно. Указанное переохлаждение
стали достигалось в лабораторных условиях, при плавке в тиглях всего
150 г металла. Даже при тщательном соблюдении определенных усло-
вий эксперимента было установлено, что уже ничтожно малая шерохо-
ватость стенок тигля илн незначительное движение металла резко
уменьшают способность стали к переохлаждению. Кроме того, установ-
лено, что наличие в стали таких элементов, как алюминий и др., даю-
щих твердые включения, илн повышенное содержание углерода, уже
ликвидирует, независимо от механических воздействий, способность
стали к переохлаждению, особенно при большом ее объеме.
Периоду кристаллизации стали непосредственно в интервале за-
твердевания предшествует «предкрнсталлизационный пе-
рво д», или период подготовки к кристаллизации. В этом периоде,
в особенности при небольшом перегреве, т. е. при температурах, близ-
ких к ликаидусу, большую роль в процессе кристаллизации играют
так называемые органические и чужеродные заро-
дыши.
Органические зародыши включают кристаллическую металличе-
скую решетку, существовавшую в металле до плавления и сохранив-
шуюся при невысоком перегреве над ликвидусом. При большом пере-
греве металла, прн длительной его выдержке и достижении истинного
равновесия эти зародыши постепенно исчезают.
Чужеродные зародыши включают различные прнмеси и загрязне-
ния в металле, преимущественно неметаллические включения. Они
могут растворяться при высоком перегреве стали или частично всплы-
вать прв длительной выдержке.
Влияние этих видов зародышей зависит от их количества и разме-
ров. Как указывалось, они могут явиться центрами кристаллизации
только в том случае, если имеют определенный «критический» размер
и очень гонкое распределение в кристаллизующемся объеме. Чуже-
родные зародыши должны, кроме того, иметь кристаллическую ре
шетку, родственную кристаллизующемуся металлу, или обладать спо-
собностью адсорбировать его атомы на своей поверхности.
Не только органические, но и чужеродные зародыши, представля-
ющие собой, как отмечал[М. Г. Окнов|[20], карбидную, сульфидную,
оксидную илн силикатную «муть», до сих пор реально еще не
определены в металле современными методами исследования. Их суще-
ствование доказывается косвенным путем
Например, используя известное влияние взвешенных твердых ча-
стиц в жидкости на уменьшение ее способности к переохлаждению,
исследовалось влияние твердых примесей (углерод, кварц) на переохлаж-
дение солей (салол, бензофенон). Было -найдено, что эти -примеси
уменьшают переохлаждение только в том случае, если жидкость с при-
месью не перегревалась выше определенной критической температуры.
При нагреве до более высокой температуры такая примесь оказывает-
ся «дезактивированной» в том смысле, что ее частички боль-
ше уже не служат центрами кристаллизации, и следовательно не
уменьшают переохлаждения.
В. И. Данилов и В. Е. Неймарк [21] определили прямым экспери-
ментом, что область дезактивации для алюминия распространяется
на 50° выше точки плавления. При этом ими, в согласии с другими
исследователями, наблюдалась определенная связь между строением
алюминия до плавлении и после затвердевания. Алюминий, бывший
крупвокристаллическим до плавления» сохранял это строение после
расплавления, небольшого перегрева и последующего затвердевания.
80
Литейные свойства я первичная кристаллизация стали
Мелкокристаллический алюминий также показал полную зависимость
между исходной и конечными структурами.
Для других металлов также известны факты, когда сплав после
затвердевания в тигле быстро расплавлялся, вновь охлаждался и при
этом получал строение, близкое к бывшему до расплааления. Это яв-
чение наследственности свойств иногда папяваюг «лаййтыо
кристал дизайн и».
Для стали определена подобная зависимость между строением
шихтовых wh тернатой и получаемого металла/ Было, например, опре-
делено, что если в кислой электропечи переплавлять без процесса
кипения стальной мелкозернистый лом, то выплавленная сталь ока-
жется также мелкозернистой. А. М Самарин, М. Л. Королев
и И В Паисов [22] провели исследования присадки азотированного
феррохрома прн плавке нержавеющей стали. Они показали, что полу-
чаемие Измельчение строения стали связано не только с влиянием
азота, образующего тугоплавкие
нитриды хрома (зародыши кристал-
лизации), но и с исходным строе-
нием феррохрома. При крупнокри-
сталлическом его строении эффек-
тивность влияния азота на умельче-
ние зерна уменьшалась.
Рис. ЗВа. Влияние гейегреваг нз раз-
мер зерйа пермчйоб «ривтжллнм-
ше алюминия (постоянная тсмиере-
гура заливки 670°)
Из изложенного можно заклю-
чить, что прн соответствующем
достаточном количестве имею-
щихся или введенных в жидкий
металл активных зародышей, пер-
вичная кристаллизация будет глав-
ным образом вынужденная. При
малом же количестве подобных
зародышей (очень чистый металл,
высокий его перегрев) могут силь-
но резвиться процессы с анол рем
из вольной первичной кристалли-
зации.
Из представленных на рио. Э8а
данных” по строению алюминия, за-
литого в форму при одинаковых
условиях с температурой заливки
670°, видно: отливка, залитая ме-
таллом с небольшим перегревом
(700е), имеет сравнительно мелкозернистое строение (вынужденная
кристаллизация под влиянием активных органических и чужеродных за-
родышей); отливки, залитые металлам с более высоким перегревом (860
и 1000°), имеют yrfre более крупнозернистое строение (имеющиеся заро-
дыши разрушаются, всплывают, дезактивируются); отливки, залитые
металлом с очень высоким перегревом (1200 и 1400°) имеют вновь
мелкозернистое строение, результат развития процесса уже не вынуж-
денной, а самопроизвольной кристаллизации [23].
В практике производства отливок, особенно из стали, подобные
высокие перегревы (почти в два раза по отношению к температуре
плааления) никогда не применяются. Истинно равновесное и спо-
койное состояпр'’ жидкого металла в форме также никогда не дости-
гается.
Поэтому самопроизвольная кристаллизация стали может протекать
только в местных, вероятно даж,е микроскопически» объемах жидкого
Первичная кристаллизация гталП в отливках
I hi ралм
металла под влиянием местных колебаний концентрации и температу-
ры. При тяжом характере кристаллизации уже не получится столь рав-
номерное и мелкозернистое строение, как прн вынужденной кристалли-
зации, протекающей при большом числе активных зародышей.
При большом перегреве стали
все же можно получить вновь неко-
торое умельчеине строения. Язве
стны факты, когда яри повышении
температуры зал+свкн легированной
стали верно сначала укрупняется, а
затем вновь несколько умезьчаеТОЯ,
рис 38,6.
Ни основе изложенного Водой
нос изменение строения объясняет
ся те1>>. что по мере повышения тем
лературы металла уменьшается чие
ло активных зародышей, вызываю
Кик вынужденную иристЗДлнзацнф,
и может увеличиваться чие.ю само- , ,,
яроизно а.ных зародышей вследствие
у в»-шчения способности очищающего н II________ ______________
Прн некоторой критической величине перегрева (//кр) выну < ic >«ian
и самопроизвольная кристал лизации развиваются почти с одинаков» й
ишенсивностью — число центров мн11имальио(ЛГммч), размер зерна наи-
больший. До -этой критической нелш.ины перегрева преобладает влия-
ние большого-количества ц< чтров вь поденной кристаллизации — стро
енне будет наиболее мелкозёрниС Цр. с.. rx пито перегрева начинас
преобладать влияние образующихся самопроизвольны* центров кри-
сталлизации. Строение «вновь умельчается, хотя и в мспыней степени,
чем пот влиянием активных зародышей вынужденнон кристаллизации
Используя ’возможность существования активных зародышем
кристаллизации стали даже при высоких темпералурах ее жидкого со-
стояния, современная практика производства качественных отливок
нача те широко применять процессы «м о д и ф и к а ц и и».
2. Модификация (модифицирование) стали
Модификацией (изменением) называется такое воздействие
чалых присадок на процесс первичной кристаллизации сплава, кото
рое вечет к изменению его строения, обычно уме л ьчению. В боль-
шинстве случаев при этом повышаются физические и химические свой-
ства сплава.
Следует различать модификацию I и II рода. Умель-
чение строения сплава путем обволакивания растущих в жидкости кри-
сталликов поверхностно-активны мн пленками, создающи-
ми барьер между кристалликом и жидкостью н препятствующими его
росту, называют модификацией 1 рода; у мсльчение строения
путем искусственного увеличения зародышей кристалли-
зации — модификацией II рода.
Модификация II рода, т е. введение в жидкий металл каких-либо
элементов, вызывающих образование зародышей, является, по суще
ству, процессом инокуляции металла («затравки» в процессе кри
сталлизации). Эти элементы называются и н о к у д я т о р а м и.
Правильное проведение инокуляции может вызвать резкое умсяъ-
чение зерна стали. Например, представленное на рис. 36, в мелкокри
сталлическое строение получено в результате введения азота в кисло
тоуперную сталь, содержащую 23% Сг. Образовавшиеся дисперсные
б Зпказ 79. Ю А. Нежевлзп
82
Литейные свойства и nejteavtax крксталлозачия стали
нитриды хрома, имеющие высок.ю температуру плавления (около
3000°), получили коллоидное распределение в жидком металле. В ка-
честве чужеродных зародышей кристаллизации они обеспечили равно-
мерное и -мелкое строение, одинаковое ® отливке как с Малой, так и
с большой толщиной стенок (без инокуляции эта сталь имеет
очень крупное зерно, тем большее, чем толще стенка отливки, см
рис. 86, б).
Подобные инокуляторы вводятся всегда в небольшом количестве
(так называемые «малые добавки» дли «гомеопатические
до б а в к и») для того, чтобы получить коллоидное распределение
зародышей. Для стали ннокуляторамн ——- —«
Рис. 38. Влияние внутренних холодильни-
ков (проволочек дням. 2 мм) на умель-
чешю зерна при первичной крксталлнэашн
стали (с 4% Si): слева — строение без
холо;силытков; справа — с холодильни-
ками
являются также небольшие
количества (около 0,1%)
алюминия, дающего тугоплав-
кие окнслы (А12ОЯ), нитриды
(Al2Na), сульфиды (AI2S3),
титана, циркония и ванадия
(тугоплавкие нитриды и кар-
биды TIN, TiC, ZrC, V,Ct)
и др.
Ипокуляторамн могут
явиться внутренние хо-
лодильники, устанавлива-
емые в форме для ускорения
охлаждения отливки. П ри рас-
плавлении холодильников (име-
ющих обычно состав металла,
близкий к заливаемому) пере-
1рев получающегося жидкого
металла из холодильников
очень небольшой. Этот металл
содержит, с щдовате. юно, зна-
чительное количество органи-
ческих зародышей. Поэтому
при смешении с поступающим
в форму основным ЖИДКИМ
металлом увеличивается коли-
чество образующихся центров кристаллизации.
В результате этого влияния, сочетаемого с чисто охлаждающим
действием холодильников на поступающий в форму металл, в отливке
достигается резкое умельчеиие строения при первичной кристалл иза
ции, рис. 38.
Поэтому при изготовлении массивных о г л и в о к.
в срединных зонах которых из-за медленного охлаждения неизбежно
развивались бы крупные кристаллиты, часто применяют вну-
тренние хотоднльники. Они также благоприятно влияют на
уменьшение усадочных раковин, напряжений и других дефектов
отливки.
Модификация I рода обеспечивает получение мелкозернистого
строения отливки путем образования адсорбционной пленки па гранях
растущего в жидкости кристаллика. Такие модификаторы предложено
называть «положительными модификаторами».
Положительными модификаторами могут быть
только поверхности о-a к T и в н ы е вещества (металлы
и неметаллические эмульсин) с минимальной свободной энергией на
границе твердый металл — жидкость, что определяет большую термо-
динамическую устойчивость системы. Эти вещества должны иметь
низкую температуру плавления и малые силы сцепления в жидком
Первичная кристаллизация стили в- отливках
состоянии. Тогда они смогут легко адсорбироваться i ранями растущих
кристаллитов. Достаточно уже мономолекулярной толщины адсорбцион-
ной пленки, чтобы полностью проявилось ее модифицирующее влияние
путем разобщения поверхностей растущих кристаллитов от окружаю-
щей жидкости.
Поэтому наиболее интенсивно действующие поверхностно-актив-
ные вещества являются лучшими положительными модификаторами.
Количество такого модификатора является очень небольшим (0,03%
натрия для силумина, 0,05—0,10% силикокальция для стали и т. П-).
Б. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ НА ПЕРВИЧНУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ
СТАЛИ В ОТЛИВКАХ
Изменение температуры и материала стенок формы ведет к изме-
нению ее физико-химических свойств. Влияние этих свойств на первич-
ную кристаллизацию стали определяется температуропроводностью
получаемой формы и условиями теплообмена, возникающими между
формой и отливкой. За исключением специальных случаев покрытий
стенок формы какими-либо легирующими элементами, влияние физи-
ко-химических свойств формы на кристаллизацию сводится в основном
к скорости охлаждения, которую она сообщиi отливке.
Подвод металла и скорость заполнения формы также оказывают
влияние на режим охлаждения отливки и чисто механическое воздей-
ствие на образующиеся кристаллиты. Комплексное рассмотрение
влияния всех этих факторов следует производить по отношению
к действительным условиям кристаллизации, определяющим так назы-
ваемую периодичность кристаллизации.
1. Влияние скорости охлаждения (температуры металла и формы,
температуропроводности формы) на периодическую кристаллизацию
стали и ее строение в отливках
111
•Ш
СК
Форма и размер кристаллитов зависят от числа центров кристал-
лизации, образующихся в единицу времени в единице объема (КЦ -
= елг3 мин~*} н от линейной скорости кристаллизации (СК —
т^см мин~'). Зависимость этих параметров кристаллизации от степе-
ни переохлаждения хорошо известна нз предложенной Тамманом
схемы. Переохлаждение больших масс озли в практических условиях
невозможно. Поэтому схемой Таммяна можно пользоваться для мест-
ных объемов или если по оси абс-
цисс вместо переохлаждения ог
кладывать отводимое при кристал-
лизации тепло (скорость охлажде^
ния) Принципиальное значение
схемы Там мана от этого не изме-
нится (рис. 39). Уже давно ясно
обнаружено повышение скорости
кристаллизации при более быстром
отводе выделяющегося при кри-
сталлизации тепла. Для металла
эта скорость кристаллизации не мо-
жет превышать определенной .мак-
симальной величины (горизонталь-
ный участок кривой СК, рис. 39).
Число зерен (N) увеличивается
с повышением КЦ и с понижением
Chopocmb отлаэ/сЗениъ
Рис 39. Влияние переохлаждения
н скорости охлаждения на нзмене-
жие числа центров кристаллизации
(K/(j и скорости кристаллизации
(СК) для металлов:
I товкпя, И — толстая оттиака
вых величии СК и КЦ. а только
«4
Литейные свойства и первичная кристаллизация ctaAu
П» г - константа.
Это соотношение определяется для данного металла скоростью
ох аж тения и другими факторами кристаллизации Оно Может Слу-
жить характеристикой (коэфициен1ом) умельчёния
структуры металла в отливке.
Линейная скорость кристаллизации по Тамману
СК^ см млн. Ub)
S IT
где tK ~ температура жидкого переохлажденного металла;
t, т тература равновесия между кристаллом и расплавом;
(/, — температурный интервал переохлаждения,
S — толщина слоя жидкого металла, окружающего ipuni кри
сталла;
•. — теплопроводность, ;
W — скрытая теплота кристаллизации единицы объема кри1
сталла.
Форму та Таммана не учитывает влияния на скорость кржталЛиза
ими конвекционных токов, разности концентрации элементов в жидком
металле, разности температур по сечениям отливки и Др- Однако But
зависимости от этих уточнений формула показывает, что на л и не и
и у ю скорость кристаллизации значительное влия-
ние оказывают теплопроводность металла и скры-
тая теплота кристаллизации.
Чем выше теплопроводность, тем интенсивнее отвод тепла через
металл, тем больше скорость его кристаллизации.
Теплота кристаллизации, выделяющаяся вследствие резкого пони-
жения свободной энергии из за изменения агрегатные состояния,
уменьшает интенсивность отвода тепли нз крисгиллизующегося «Лье-
на мета т та. Она уменьшает скорость охлаждения отливки
В связи с этим на кривых распредетения температур по сечению
отливки появляются горнзолтнлыгые участки (см. рис 7—-9). Они пок.г
чывают па известное постоянство температуры в срединных зонах
отливки в течение определенного промежутка времени По мере уде-
ления к периферии эти участки уменьшаются и исчезают в наружных
слоях отливки, непосредственно соприкасающихся с формой. Ско-
рость затвердевания (кристаллизации) наружных
частей отливки определяется соотношением между
теплоотдачей через стенки отливки и формы и посту-
плением тепла из жидкой сердцевины отливки
(включая тепло кристаллизации).
В упрощенном виде, в зависимости от этих количеств тепла, ско-
рость затвердевания’ (крнстал-тизаиви) может определяться по фор-
муле’’
«=Д I/JM > 1. (17)
rfz ц Д-Ь ’' дх fz + ff J
где d 5 dz — скорость затвердевания (di—толщина затвердевшего
стоя, а
dz время);
U —тепло кристаллизации;
1 Г. I ребер и С. Эрк Основы учения о теплообмене. OHIH I93S 154
Я5
ГТгрпачпая кристаллизация стали в отливках
т — удельный вес;
к, — теплопроводность твердой ствлн:
ка — теплопроводность жидкой стали;
laJi—о температурный градиент в затвердевшей стали;
Е — текущая координата по оси х, дающая моментальные по-
ложения границы затвердевания, т е. положения нзосслид*
сов от поверхности раздела металт — форма:
q— температурный градиент в жилкой стали.
Первый член правой части формулы (17) определяет теплоотдачу
тливкн; второй — подвод тепла из ее сердцевины Значения тепло-
проводности а изменяются в зависимости от температуры в этих усло-
виях, сравнительно мало- Поэтому указанные тепловые потоки опре-
деляются до существу температурным градиентом на пограничной
ьлоскости, на поверхности раздела между твердой и жидкой ста.чыо.
Скорость затвердевания будет тем больше, чем больше этот темпера
тарный градиент
В начале затвердевания, т е. у стенок формы, теплоо»дача паи
высшая, скорость затвердевания максимальная. Как только образуется
затвердевшая »$орка и стенки формы нагреются, теплоотдача и скорость
затвердевания у меньшаются
Когда образуется уже достаточно толстый затвердевший слой и
стенки формы значительно нагреются, отвод, тепла становится со-
всем незначительным.
Пол влиянием скрытой теплоты кристаллизации происходит Даже
остановка в процессе кристаллизации.
В дальнейшем, когда отвод тепла, включая скрытую теплоту
кристаллизации, начпет вновь усиливаться, затвердевание вновь будет1
прогрессировать.
Это положение определяет понятие •» прерывном
пер иодическом, скачкообразном холе кристалл и
зации, а не непрерывном, эволюционном. Представление
о периодической кристаллизация широко развивается нашими метал-
юведами школы акад Н Т Гудцова (24—26 и дрЛ.
Это положение объясняет твкже получение различного строения
при первичной кристаллизации, в том чисте «|нболсе часто встреча
юшегося строения из трех зон (см. стр. 76 и {flic. 36, г, 231).
Чрезвычайная мелкозернистость наружной корки объясняется тем.
что сильно развитая, из за шероховатости, поверхность раздел» ме-
талл — форма способствует местному увеличению скорости охлаждения,
парашению атомов металла на имеющихся центрах и обтазовянию
большого количества самопроизвольных центров кристаллизации Кро-
ме топ» они имеют большую скорость роста (прямая /, пересекающая
КЦ и СК на рнс 39) В результате, центры кристаллизации, имею-
щиеся по всей наружной поверхности отливки, не успевают развиться
в более или менее крупные кристаллиты. Они препятствуют
росту друг друга по высоте отливки и по се сечению.
Мелкие кристаллиты наружной корки иногда называют «заморо-
женными».
Вследствие образования корки и нагревания стенок формы меня-
ются Условия охлаждения во второй период кристаллизации. Скорость
охлаждения в этот период может быть также велика, но значительно
меньше той начальной, которая обусловила мгновенное затвердевание
корки. Она определяет достаточно интенсивный рост кристаллов в на
правлении, обратном тепловому потоку т. е перпендикулярно поверх-
86 Литейные свойства и первичная кристаллмвация стали
мости охлаждения вглубь жидкости. Росту кристаллов по высоте
отливки механически препятствуют другие, соседние кристаллы, рас-
тущие по поверхности охлаждения В результате происходит образо-
вание второй зоны кристаллизации ориентированных или столбчатых
кристаллитов различной толщины, зависимости от условий кристал-
тпзации.
В центральных зонах отливки за это время происходит понижение
температуры жидкого металла до температур кристаллизации.
При образовании второй зоны выделяется скрытая теплота кри-
сталлизации. выравнивающая температуры на границе твердой и жид-
кой фаз. Временно уменьшается тепловой поток, исчезает темпера
тарный градиент в этих частях отливки Следовательно, уменьшается
рост ориентированных кристаллитов.
В этот период на кривых распределения температур по сечению
отливки горизонтальные участки соответствуют уже только той цен-
тральной зоне отливки, которая затвердевает последней Прн этом на
периферийных зонах кривая дает перегиб, становится более пологой
вследствие уменьшения температурного градиента.
В дальнейшем, под влиянием продолжающегося охлаждения на-
ружных частей отливки, понижается температура жидкого металла бо-
iee интенсивно уже и в срединных зонах отливки. В них происходит
рост кристаллов из имеющихся зародышей, образуются новые: выде-
ляется скрытая теплота кристачлизации, распространяющаяся преиму-
щественно в этих срединных зонах; вновь несколько задержи-
вается процесс кристаллизации в них, И, наконец, йод влиянием все
время действующего охлаждения происходит полное затвердевание
отливки.
Кристаллиты в этой средней зоне растут в усло-
виях недостатка жидкого металла и перпендикуляр-
но изломанной неровной по-
верхности столбчатых кри-
ста т л н т о в Они уже не имеют
ориентированною направления по ос-
новному тепловому потоку.
В этом «мешке» жидкого метал-
ла, застывающем последним, или в
«термическом центре» отлив-
ки, как его принято называть, полу-
чается безразличная ориенти-
ровка первичной кристалли-
зации. Процесс кристаллизации и в
этой зоне идет пульсирующими скач-
ками с перерывами и остановками, не
отличаясь таким образом от пульси-
рующего, скачкообразного характера
кристаллизации первой и второй зон.
Скорости кристаллиза-
ции в срединных зонах от-
пив к и вновь повышается по
сравнению с промежуточ-
ной, второй зоной, так как в ней увеличивается отношение по-
верхности охлаждения к объему и велико чйечо зародышей кристал-
лизации.
Указанное изменение скорости кристаллизации по сечению отливки
в различные периоды затвердевания (уменьшение в начальном пе-
2 1 Б в ю /г U16 tf^i.
Рис. 40. Изменение скорэста м-
твердевання (кристтазацмя) в
см,'мин и толщины затвердев-
шего слоя в см в различные
черНоды кристаллизации слитксн
дням. 200, 250 и 340 мм
Первичная кристаллизация стали в отливках
87
риоде, затем некоторая стабильность н вновь повышение в последнем)
уже отмечалось ранее (см. рис 17. 18) и усматривается из специ-
альных исследований для слитков, рис. 40.
В свете наложенных положений о механизме действительной,
периодической кристаллизации, образование некоторых
типичных строений отливок, представленных на рис. 36, 37, может по-
лучить следующее объяснение. Столбчатое строение, проникающее до
самых глубинных зон по сечению вглубь отливки (сплошная транс-
кристаллизация. см. рис. 36,а). получается во всех тех случаях, когда
растущие в жидкости против теплового потока кристаллиты не встре-
чают никакого препятствия. Такими препятствиями могут оказаться
кристаллики, растущие как из самопроизвольно возвикающих зароды-
шей кристаллизации, так и из имеющихся в жидком металле органи-
ческих и чужеродных зародышей
Правильная инокуляция мета па этими зародышами может пол-
ностью ликвидировать тра искриста л л изацню, как это видно на рис. 38
(влияние органических) и рис. 36,в (влияние чужеродных зародышей).
Уменьшение разницы между температурными градиентами в за-
твердевшем и в еще жидком металле, т. е. уменьшение температур-
ного градиента по всему сечению отливки, ведет к равномерному по-
нижению температуры средней зоны отливки Оно, следовательно, ве-
дет к образованию в этой зоне равноосных кристаллов. Они препят-
ствуют росту столбчатых кристаллов, вследствие чего получается
трехзонное строение отливки типа рнс 36. г и 231
Таким образом, тра нскрнсталл нзац ия и столбчатые
кристаллиты образуются, когда отдача тепла наружу
идет скорее, чем выравнивание и понижение темпе-
ратуры в жидком металле в срединных зонах отливки,
а растущие кристаллиты не встречают препятствий
к своему росту.
Поэтому, при прочих равных условиях, не только ускорение за-
твердевания наружных частей отливки при металлической форме, но
л малая теплопроводность металла способствуют образованию столб-
чатой кристаллизации.
Необходимо, однако, отметить, что даже резкая разница в темпе-
ратурных градиентах не всегда обязательно вызовет транскристалли-
зацию. Интенсивный рост кристаллов зависит также
от влияния на скорость кристаллизации физико-хи-
мических свойств самого металла.
Например, заливка отливок рис. 36. а и б проведена практически
в идентичных условиях и примененные стали (кислотоупорные — аусте-
нитная 18% Сг и 8% Ni и ферритная 23% Сг) имеют сравнительно
мало отличающиеся теплопроводности Вместе с тем сталь с 23% Сг,
имеющая при затвердевания ферритное строение, дает транскристал-
лизацию только в массивных сечениях (см. рис. 36, б). Сталь же
с 18% Сг и 8% Ni. имеющая при затвердевании аустенитное строение,
дает транскристаллизацию даже в тонких сечениях (см. рис, 36, о).
Несмотря на примерно одинаковые условия заливки, перемешива-
ния и охлаждения, сталь с 18% Сг и 8% Ni дала резко выраженную
транскрнсталлнзацию потому, что линейная скорость кристаллизации
хромоникелевого аустенита, повндимо.у, больше, чем хромистого
феррита.
Таким образом, особенности физико-химических свойств металла,
в частности его большая линейная скорость кристаллизации, могут
оказать основное влияние на строение отливки при первичной кристал-
лизации. Следовательно, алияние линейной скорости кристаллизации.
Иытейяыл свойства и первичная яриетагчиэачия стали
обусловленное составом металла, может оказаться сильнее влияния его
скорости охлаждения и теплопроводности.
Еще более резкое влияние может оказать состав и строение жид-
кого металла, подвергнутого процессу модифицирования Так,
например, исследование строения прн первичной кристаллизации в от-
ливках различной толщины, рис 36, произведено в условиях заливки
их чисто аустенитной или чисто ферритной ста пью. Выбор таких марок
стали преследовал цель получения наиболее ярко выраженного строе-
ния при первичной криствллнзацни, ие изменяемого прн последующем
охлаждении, так как эти стали не имеют фазовых превращений и, сле-
довательно, процессов вторичной кристаллизации. Оказалось, что при
прочих равных условиях, правильно проведенная инокуляция стали,
вызвавшая ее вынужденную первичную кристаллизацию, обеспечива-
ет, как отмечалось, получение квазннзотротного, мечкозервистого
строения в отливках с различной толщиной стенок (рис. 36, в).
Следоватечьно, дри большом и правильном количестве активных
зародышей, вызывающих вынужденную первичную кри-
ста ч л и з а и и ю стали, получаемое квазиизотропнос строение уже
мало зависит как от ряда основных физико-химических свойств
металла (температуры, ттплавроводностя, линейной скорости криста.i
шзации ц др к так и от свойств формы (скорости охлаждения
оуливцн).
Подобное хорошее модифицирование н получение такою квази
изотропного строении, которое представлено на рис. 36, в, современная
техника изготовления оттнвок достигает пока только дли некоторых
марок стали В большинстве случаев практики получается Неоднород-
ное строение в различных, зонах и частях отливки.
На получение такого строения, характерного для протекающих
совместно процессов вынужденной и, местных объемах, самопроиз-
вольной, первичной кристаллизации, большое влияние оказывают уж*
условия, охлаждения отливки.
Влияние па строение кристаллизации температуры заливаемого
металла, материала и температуры формы представлено в виде схе-
мы рис. 41.
Рис. 41. Схема строения при первичной кристаллизации отливок, аа.гигцх в метал-
лическую, песчаную и кокильную формы при высоком и низком перегреве стали.
Схема температурных градиентов по сечению этих отливок перед началом в перед
концом затвердевания
Первичная кристаллизация стили в отливк~
Я»
Равномерное, «мед iennoe охтажденне ведет к образова-
нию равномерно распределенных, растущих по всем направлениям, за
родышей кристаллизации. Получается безразличн о-о р и е н т кро-
ва иное, крупнокристаллическое строение (характерное
для горячо залитых и массивных отливок в песчаных формах).
Сравнительно равномерное, но быстрое охлаждение ве-
дет к образованию большого количества равномерно распределенных
кристаллитов, взаимно пре
пятствующнх росту. Полу
чается безразлично
ориентированное,
мслкокр исталл иче
кое строение (характерна
для холодно залитых и тон
костенных отливок, в песча-
ных и особенно в неталли
ческцх формах).
Неравномерное
охлаждение с б о л ын и •
температурным г р
диен том приводит к
большой скорости ро<
кристаллитов, < (ережающ».
образование зародышей в
внутренних зонах отливки
Получается тонкая нару л
ная мелкозернистая зон
и ориентированны
столбчатые кристалла-:
ты. Эта зона транскрнста.
лизании .может быть спло-
шной, с крупными крис-
Рис 41 Умельчение «.триенИя первичной кри-
ста-рмоаинИ кнелотоугорной стали (25% Сг
и 5% hi) nfw понижении температуры заливки
е 1570° (вверху) до )430° (внизу)
тдгдаии при очень резком
температурном градиенте (выс<«*.1я Те» .'крату,« оливки, интенсивны»
отвод тепла снаружи, малая температуропроводность металла, большая
лишенная скорость с । кристаллизации и т. д). Эта зона может иметь
только частичное распространение, до внутренней зоны крупных,
безразлично-ориентированных крштатлитов при менее резком темпера-
турном градиенте и ори меньшей линейной скорости кристаллизации
металла.
Для иллюстрации получаемой» при понижении температуры за-
ливки резкого умгчьчения строения при первичной кристаллизации
cia ш в отливки можно принести рис 12 |8|
Из данных риг ’1 и 42 след"₽т сд шть выгчч
ч) по вы иге н и г тем ire р л тх ры заливки вызывает раз-
витие столбчатой кристаллизации гтя.чи в отливках;
б) при прочих равных у- товиях, заливка в пссча
и ую форму дает более крупные кристаллиты, чем
в металлическую, хотя столбчатые кристаллы легче
образуются в чета «лических формах.
Весьма прдмечателыю^ что еще-в 1866 г * '. Лавров miepepif'
пришел к выводам, что
« раамер кристаллов иля крупность вереи в Стали прн равенстве всех других
обстоятельств т. е. при одинаковом сорте я при одном и том же отливаемом прел
мете, зависит;
УО Литейные слойства и первичная кристаллизация стали
J) от избытка температуры металла над тою. которая действительно необходима .
для его расплавления и. следовательно,
2) от времени которое отлитая масса употребляет для своего охлаждения н
отвердевания.
Таким образом, чем ниже температура, при которой происходит отливание
в форму, и чем быстрее может быть охлаждена масса до ее отвердевания, тем
плотнее будет зеряо металла*.
2. Влияние подвода металла и скорости заполнения формы
на первичную кристаллизацию стали
Повышение скорости заполнения формы увеличи-
вает размер кристаллитов и вызывает явление транс-
кристаллизацин так же, как и повышение темпера-
туры з ал н в к и. По существу, это влияние объясняется также возник-
новением более резкого температурного градиента по сечению отливки
н момент начала ее затвердевания н более длительным нахождением
металла в жидком состоянии во внутренних зонах отливки.
При заливке двух форм жидким металлом одной и той $ке темпе-
ратуры. но с различной скоростью, теплосодержание металла в момент
конца заполнения будет больше в тон форме, которая заливалась бы-
стрее Объясняется это тем, что пр» более быстрой заливке потери
металла на лучеиспускание меньше.
Кроме того, медленное заполнение формы вызывает более мелкое
строение при первичной кристаллизации также потому, что к моменту
начала затаердевания жидкий металл еще сохраняет известную интен-
сивность движения после заливки. При быстром же заполнении ме-
талл, вследствие большего теплосодержания, к началу затвердевания
может находиться уже в сравнительно более спокойном состоянии, что
способствует росту кристаллов.
Конвекционные и” концентрационные потоки жидкого металла при
заливке оказывают большое влияние на форму и строение первичных
кристаллитов. Иллюстрацией такого влияния может служить транс-
крнсталлнэацнонное строение отливки (см. рис. 36, а). Столбчатые
кристаллиты в срединных зонах отливки изогнуты вверх, по направле-
нию к прибыли. Они не строго перпендикулярны поверхности охлаж-
дения и вместо с тем не загкуты вниз, как можно было бы ожидать
вследствие влияния силы тяжести.
Отдельные обломки кристаллов иногда падают вниз, умельчая
строение и образуя в нижней части высоких отливок «конус осаж-
дения».
Влияние движения жидкого металла в процессе его затвердевания
на умельчение строения п особенно на ликвидацию транскристаллиза-
циц нашло Отражение в практике Проводились специальные работы
по встряхиванию жидкого металла в форме, по воздействию на
него давления, электрического и магнитного поля [27].
Еще Д. К- Чернов предлагал производить залнвку стали во вращаю-
щиеся с поддоном изложницы. Немного позже В. В. Лермантов, а затем
В. И. Тыжнов ликвидировали транс-кристаллизацию стали встряхива-
нием изложниц после заливки. Еще и теперь на некоторых заводах
считают полезным для борьбы с грубой транскристаллизацией слегка
постукивать молотком по стенкам изложницы в начале затвердевания
слитка.
Огромное влияние встряхивания металла на умельчение его
строения, впервые отмеченное Д. К. Черновым, было нм четко сформу-
лировано уже в 1878 г. [28].
Если расплавленную в тягле столь вы будете при охлаждения приводить по
стоянии * сильное сотрясение, достаточное для того, чтобы все ее частицы прихо-
дили в движение, тогда охлаждепяый слиток будет иметь чрезвычайно мелкие нрн-
Первичная кристаллявация стали в отливках
Рис. 43. Мелкокристаллическое безразлично-ориентированное (вверхуг
и трехзонное с тонкой столбчатой кристаллизацией (внизу) строение
в центробежной отлнвке с полосками, указывающими ня прерывность
процесса крмсталлнзацнк
спилы, если же ату сталь оста ить т>сз всякого сотрясения н дать массе спокойно
и медленно охлаждаться, тогда у вис зги же самая сталь получится в крупных,
хорошо развитых кристаллах*-
Идея «динамического затвердевания» металла получила наиболее
полное выражение в современных методах центробежной заливки.
Два типичных строения центробежной стальной отливки пред-
ставлены из практики автора на рис. 43. Наблюдается полностью мел-
козернистое, глобулярное, безразлично-ориентированное строение и
Рис. 44 а. Мелкозернистое строение угтсродистой стали (0,40% С)
с полосками прерывной кристаллизация, полученное вместо травс-
кристаллнаацнонното строешга, вследствие резмешивакия стали
шомполом во время затвердевания в форме
эе
Литейюм свойства а гхрвачяея крясталляЮцця стали
трехзонм* си <средн н зоной тонких столбчатых кристаллитов. Оба
вида ст - ия м.|П.; есп< иль сравнительно высокие н к '<Mtpnwe
мехЦиче . - -<ТБа центробежной отливки.
Обращают внимание концентрические полоски между отдельными
зонами кристаллитов. Их образование в известной мере связано с пре-
рывностью процесса и с особенностями подачи и затвердевания ме-
талла при центробежной заливке. При механическом воздействии на
Пграичная кристаллизация стали отливка* И>1
Жидкий металл во время его затвердевания и при вибрации во время
центробежной заливки возможно окисление отдельных слоев. При по-
следующем затвердевании тонкая пленка окислов нарушает непрерыв-
ность строения, проявляясь в виде полосок отдельными слоями
кристаллитов. Подобные полоски наблюдаются Также в металле, за-
литом в стационарную форму, но подвергнутом круговому размешива-
нию шомполом в изложнице во время затвердевания (рве 44а). Строе-
ние слитка при этом оказалось глобулярным, очень мелкозернистым,
в то время как при полном отсутствии турбулентности оно было на
сквозь транскрнсталлизациоиным.
Отмеченное выше большое влияние перемешивания жидкого ме-
талла во вреия заполнения формы на получаемое строение отливки
имеет место обычно во всех случаях заливки. Оно только наиболее
ярко проявляется в указанных методах искусственного механического
воздействия ня жидкий металл при заливке Так, например, была про-
и шедена заливка угтеродистой сталью семи слитков весом по 7§0 кг
(280 280 мм) в песчаную л‘металлическую форму (изложницу) сифо
ном и сверху, в наклонном положении и с размешиванием шомполом,
рис. 44 (28 а|.
Из представленных на рис. 44 схематически фактических разридив
« штков нидно, что, лрц прочих равных условиях, наименьшей зона
три иск ристал тилапии получается в слитке, подвергнутом размешиванию
шомполом (рис. 44, 7) или звлитом сверху односторонне направленной
струей (рис. 44, 6). При такой же односторонней струе, но наклонно
поставленной форме, получается ассиметричное строение- сильно раз-
витая зона транскрнсталлизации с одной стороны слитка и очень топ-
ка,’я с другой, в месте подвода металла. нз4за резкого влияния его
перемешивания во все время заливки в этой части формы (рис. 44, 5)
Прн заливке сверху в песчанмо форму получается меньшая зона
транскристаллизапнн, чем в таких же условиях в металлическую фор-
му (рис. 44, 4, 3;. Заливка сверху нескотькимн струями вызывает
меньшее перемешивание металла, чем одной струей, вследствие чего
немного уменьшается толщина зоны транскрйсталлизацци (рис.44, 3, 1)
Во всех случаях вертикального положения формы эта зона в верхней
части слитка меньше, чем в нижней, особенно при сифонной заливке
(рис. 44, 2).
Из приведенных данных видно, что, чем меньше перемешивание
(турбулентность) металла при заполнении формы, тем большее разви-
тие получает зона ориентированных, столбчатых кристаллитов.
В. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ПРИ ПЕРВИЧНОЙ
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СТАЛИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА
отливок
1. Дендритное строение кристаллизации в отливках
Вне зависимости от величины кристаллитов в отливке, неоднород-
ность их состава всегда проявляется в виде развитого в той или иной
степени дендритного строения.
Оси дендритов, затвердевающие ранее, имеют состав, отличный
от состава металла, заполняющего междендрнтные промежутки. Нес t-
нородность кристаллита, а следовательно, н дендритное строение его.
могут быть уменьшены путем диффузии в самом процессе первйчной
кристаллизации, а также прн последующем остывании и термически'’
обработке
В некоторых случаях (крупные кристаллиты, малая диффузионная
способност. элементов) устойчивость дендритного строения литой стали
Литейные свойстве ti первичная йриСталлиявция Стали
пожег получиться настолько высокой, что никакая термическая обра-
ботка его не разрушит. Изделие с таким устойчивым дендритным стро-
ением литого состояния (иностранный термин ingotlsm) будет обладать
сравнительной неоднородностью свойств и часто низкими их показа-
телями.
Чем больше интервал затвердевания металла, тем больше неодно-
родность кристаллита. Чем полнее диффузия, протекающая в интер-
вале затвердевания, тем меньше неоднородность. Полнота диффузии
зависит от физико-химических свойств металла и того промежутка вре-
мени, в течение которого она может протекать при кристаллизации.
Следовательно, дендритное строение при первичной
кристаллизации зависит от состава металла, темпе-
ратуры и метода его заливки, а также скорости
охлаждения отливки.
Состав металла влияет главным образом посредством интервала
затвердевания, определяющего характер кристаллизации, а также
вязкости и поверхностного натяжения, с увеличением которых ухуд-
шаются условия роста дендритов.
Разрезы отливок с меняющемся толщиной стенок, залитых в пес-
чаные формы сталью с различным содержанием углерода, представ-
лены на рис. 45 [29]. С повышением содержания углерода, при резком
о б В г Ц е
С-РанвВина — Мелкязерн глобулярная е Столбчатая пристал,
наружная Ш1ркц(2-3*ш) (дендритная)
РаЦноосн пристал .-Рабноасн нристлалазация
(дендритная) (глобулярная)
Ряс. 45. Строение при первичной кристаллизации в отливках е меняющейся
толщиной стенок от 12 до 140 мм в зависимости от содержант углерода
(0.12-0,58%)
увеличении интервала затвердевания (выше 0,2% С) развивается ден-
дритное строение не только в столбчатых, но и в равноосных кри-
сталлитах внутренней зоны, что впервые заметил еще в 1878 г.
Д. К. Чернов [28].
На развитие дендритного строения в отливках влияние темпера-
туры заливки и скорости охлаждения является часто не менее важ-
ным, чем состав металла.
Чем выше температура заливки п меньше скорость
охлаждения в период затвердевания, тем более круп-
ными получаются дендриты. В отливках, залитых в песчаную
Первичная кристаллизация стали в отливках
95
Рис. 46- Размер первичных кристаллитов
а отливках из углеродистой стали (0,12—
0,58%) в зависимости от толщины стенок
(12—140 я.«) («о данным рис. 45)
форму, строение при первичной кристаллизации характеризуется бо-
лее крупными дендритами, чем в металлическую форму. Аналогично,
массивные отливки имеют, как правило, крупнозернистое, дендритное
строение. В одной и той же отливке с различной толщиной стенок
можно иметь мелкозернистое глобулярное строение в тонкостенных
частях отливки и грубозернистое дендритное в толстостенных.
Рост дендритов особо интенсивен в интервале увеличения толщи-
ны стенок с 15 до 50 мм и для всех марок углеродистой стали имеет
одинаковый характер. Это положение имеет большое значение для
практики, объясняя соответст-
вующее изменение механичес-
ких свойств отливок прн из-
менении толщин их стенок в
этом, весьма широко применя-
емом интервале, рис 46.
Микросгроенне Стали с
0,61 % С н 0,097% Р в отлив-
ках от Ю до 100 мм толщиной
представлено на рис. 47. (Со-
держание фосфора повышено
пециально, так как, вследст-
вие влияния на увеличение
интерес па затвердевания и
уменьшение скорости диффу-
зии, фосфор способствует не-
равном»-р«ости состава кри-
сталлитов ) Наблюдается
крупное дендритное строение
столбчатых кристаллов отлив
ки 100 мм и соответствующее
умельчение дендритов в от-
швке 50 и 25 мм
В отливке с толщиной
стенок 10 мм видно только
ме ткозерннстое глобулярное строение.
Внутри каждого кристаллита, вне зависимости от его размеров
и формы, лшкддоадоых условиями охлаждении, всегда имеется ске-
лет в виде ветви или части дендрита. Он может быть иногда разли-
чаем только при специальном травлении, вскрывающем зоны ликвации
между осями и ветвями дендритов, ц соответствующем большом
увеличении [30J.
При очень медленном охлаждении, особенно в прибылях массив-
ных отливок, дендрит имеет полную возможность роста.
В усадочных раковинах крупных отливок, когда жидкий металл
опустился для питания тела отливки, такой дендрит имеет незаполнен-
ные промежутки между ветвями. Рассмотрение такого дендрита ясно
показывает, что его развитие шло прерывно, прогрессивным ростом
из мелких дендритов в одном направлении (к наиболее поздно затвер-
девающему месту отливки).
Таков знаменитый дендрит «кристалл Чернова» длиной
около 400 мм.
На рис 47, д представлен дендрит длиною 180 мм, найденный
в усадочной раковине прибыли отливки прокатного валка.
Повышенная скорость заливки вызывает такое же
увеличение размеров дендритов, как и повышенная
температура н массивная стенка отливок.
46
Литейные center^ и и neprmwu криетаялизиццл гтаМ
Рнс. 48. Влияние разогревающего действия питателя на увеличение
размера зерна первичней кристаллизация в оллтке равномерной
толщины нз кислотоупорной стала (18% Сг, 8% Ni)
В отливках одной н той же толщины стенок даже разогревающее
действие литника оказывает влияние на характер первичной кристал-
шзацни чувствительной в .том отношении стали, рис 48
2. Межкристаллитные поры и межкристаллитная пленка в литой стали
Образование капилляров, м икроусадочных раковин и пор, межкри-
сталлитных пленок и трещин — факторы, связанные с первичной кри-
сталлизацией -определяют свойства литого металла. Процесс крп-
стадлизации связан с уменьшением объем?. Кристаллизация послед-
них порций жидкого металла в «термическом центре» отливки проте-
кает, как сказывалось, в условиях недостатка питания для восполне-
ния этого уменьшения объема Это ведет к образованию разбросанных
мелких усадочных раковин итн уса точной рыхлости.
Первичная кристаллизация стали в отмвках
ft?
Однако даже в условиях хорошего питания из прибыли, когда от-
ливка не содержит видимых глазом усадочных раковин или рыхлости,
в ней обычно имеются микроскопические поры. Они располагаются по
границам первичных кристаллитов как участков, затвердевающих позже
Эти поры и капилляры образуются, как и усадочная рыхлость, вслед-
ствие сокращения объема стали при затвердевании. Часто жидкий
металл из прибыли не может их заполнить из-за того, что они очень
узки или наполнены газом, выделившимся нз затвердевшего металла.
Таммаи доказал наличие подобных пор экспериментально, про-
питывая отливку эозиновым раствором (20%—эозиновокислый калий)
под давлением 500—1000 ат и определяя затем объем капилляров по
количеству эозина.
Характерное расположение -микроусадочных раковин на границах
первичных кристаллитов внутренней зоны отливки массивного прокат-
ного валка представлено по данным автора на рис. 49, слева. При бо-
Рис. 49. Слева — мнкроусадочная раковина на границе первичных кристаллитов
в массивной отливке валка нз углеродистой стали (0,85% С). X 100. Справа —
мнкроусадочные раковтиы ва граница* первичных кристаллитов в тонкостенной ко-
кильной отливке (0.45% С). X 100. (Шлиф не травлею
лее быстром затвердевании (например, тонкостенная отливка в ко-
кильной форме) межкристаллитные раковины могут образоваться еще
легче, приобретая более крупные размеры (рис. 49, справа). Мель-
чайшие межкристаллитные поры являются характерным дефектом
срединных зон преимущественно крупных отливок. Подобные дефекты
первичной кристаллизации не могут быть уничтожены или смягчены
последующей термической обработкой отливок. Только обработка дав-
лением способна их ликвидировать более или менее полно.
В последнее время по методу А. А. Бочвара первичная кристалли-
зация отливок из цветных сплавов протекает в специальных автокла-
вах под давлением в несколько атмосфер сжатого воздуха [31]
Жидкий металл под давлением в известной мере заполняет обра-
зующиеся капилляры и поры. Недавно начали применять дли сталь-
ных отливок повышенное давление газов в прибылях (до 30 пт). Это
давление осуществляется установкой в прибыли отливок перед залив-
кой специальных стерженьков из сильно газотворной смеси (подробно
в гл XIV).
Практическое влияние пор очень велико. Они уменьшают способ-
ность металла к межкристаллитной деформации И этим ухудшают
7 3.1KU3 34. ю А. Нехентзи
98 Ччгейные г—'я-’ва и первичная кристаллизация стали
свойства литого металла. Кроме того, в отливках, работающих под
давлением пара или воды, возможно проникание влаги в капилляры,
что вызовет отпотевание отчивки или усиленную внутреннюю корро-
зию ее.
Еще более тонким дефектом литого металла, связанным со строе-
нием его при первичной кристаллизации, является наличие межкрп-
с т а л л и т и о н пленки.
При кристаллизации атомы металлических и посторонних немета. г
лических примесей располагаются не только внутри, но и по границам
кристаллитов. Силикатные п окисные включения, фосфиды, сульфиды
в большинстве случаев распределяются преимущественно по границам
кристаллов. Они растворяются или располагаются в виде включений
в кристаллите в очень незначительном количестве. Вместе с тем даже
в самом чистом металле количество их огромно. Максимальная степень
чистоты метвчла, достигнутая до сих пор, определяется в очень редких
случаях в 0,0001% примесей, что составляет пятую (максимальную)
степень чистоты по шкале Милиуса. Однако это, казалось бы, ннчтож
ное загрязнение дает в 10 см8 металла 6,06'7 атомов примеси, так как
общее число атомов в граммолекуле составляет 6,06 1023.
Таким образом, даже в самом чистом металле возможно наличие
межкристаллитной пленки нз примесей. Эта пленка может быть ц суб
микроскопической, так как при самых сильных рвсигчспнях обычшм
микроскопов наблюдается пленка максимальной толщины только
в 0,00001 t е имеющая уже 1000 атомных плоскостей.
Наличие подобных пленок в литом металле доказал экспериэден
тально Тамман растворением тонкой пластинки литого кадмия в р.
творе азотнокисчого аммония.
Современные работы наших физиков подтвердили существование
межкристаллитной пченкп более совершенными методами (электрон-
ной дифракции (32J).
Установлено, что в пленке находятся кристаллические частицы
(в частности, карбидов), что ее толщина может достигать в сравни-
тельно чистом металле 5000 атомных плоскостей и что даже прн очень
мелкозернистом строении металла (диаметр зерна 0,1 мм) для обра-
aotiainin сплошной межкриста чтитной пленки достаточно иметь
0,00 |“;п примесей, не расгворимых в самим зерне.
При быстром затвердевании метал та и при повышении его чпе
тоты межкристаллитная пленка получается более топкой. Она может
быть частично разрушена особым процессом термической обработки,
гомогенизацией (см гл. IX). Нарушается непрерывность пленки, полу-
чается ее частичная сфероидизация.
Практическое влияние п з е н к и очень велико. Она определяет
особенности механических, физических и химических
свойств литого металла, возможностей роста зерно
в нем, процессов цементации, эмалирования и т. д.
3. Влияние некоторых особенностей строения при первичной
кристаллизации стальных отливок на их механические свойства
Некоторые особенности строения первичной кристаллизации ока
чвают большое влияние пя механические свойства отливок.
В связи с тем, что для срединных юн сечения массивных отливок
характерно крупнокристаллическое строение с межкристаллитными
порами, значительно уменьшается даже удельный вес стали в соот-
ветствующих сечениях. Например, удельный вес углеродистой стали
Пераианая кристаллизация стала а отливках
99
(0,27С) с 7,8379 в отливке толщиной 26 мм понизился до 7,8106
в отливке толщиной 200 мм, рис. 50 (3].
Из-за такого строения первичной кристаллизации
в отливках, но мере увеличения толщины их стенок.
ухудшаются ме-
ханические св ой-
ства. Это ухудшение
определяется приро-
дой межкриста ч.читной
связи, вне зависимости
от .влияния ликвацик.
Оно особенно резко
отражается на пони
женин птастичности
стали.
Указанное влия-
ние толщины стенок
отливки распростра-
няется на изменение
механических свойств
стали любого состава
Оно особо резко про-
является в легирован-
ной стали, не имею-
щей фазовых превра-
щений (аустенитные
Н..Ш ферритные стати).
I» такой высоколегированной стали,
кристаллизации, тот размер зерна,
t°заливки по Пироп то
Рис. Si. Влияние повышения темпера-
туры чалипки иа ухудшение механиче-
ских свойств кислотоупорной стали
(18% Сг и 8% 40
25
Толщина стенок отбивки
785...
78&
783 1
782 ?
Е.
7<9/ |
7.80
Риг 5U. Влияние толщины стенок отлиики !.
удельный вес и йетаничеекпв свойства углеро-
дистой ста та (0,27% С) в литом сыром сосгия-
Н11И н после отжига
лишенной процессов вторичной
который получен при первичной
кристаллизации, останется без
изменений, какой бы термичес-
кой обработке ее ни подвергали.
Поэтому, правильному уп-
равлению процессом первичной
кристаллизации легированпой
стали следует придать особое
значение. Задача усложняется
гем, что подобные стали обычно
весьма чувствительны к скорости
охлаждения. На рис. 42 приво-
днюсь укрупнение строения вы-
соколегированной стали прн по-
вышении температуры заливки,
влияющей на свойства отливки
так же, как и увеличение тол-
щины стенок. Соответствующее
ухудшение механи^ских свойств
при повышении температуры за-
ливки усматривается из данных
|8|, рис. 51.
Особо резко уменьшается
пластичность из-за ухудшения ус-
ловий межкристаллитной дефор-
мации в связи с получаемым
очень крупным размером зерен и
100 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
наличием межкристаллитных пор и толстых тенок между ними. При
чрезмерно высокой температуре заливки между от-
дельными кристаллитами наблюдаются даже раз-
рывы сплошности, образуются межкристаллитные
трещины.
Правильно проведенная инокуляция (модификации II рода),умель-
чающая строение крупнозернистой стали (см. рас. 36, б, 36, в), резко
повышает механические свойства, особенно пластичность, рис. 52 [8|.
Отливки из низколегированной стали имеют, как правило, более
крупнозернистое строение, чем из углеродистой. Однако и в них обыч-
Рнс. 52. Влияние умельчення строения при первичной
кристаллизации ферритной кислотоупорной стали
<23% Сг) иа повышение механических свойств, до-
стигнутое путем инокуляции азотом (термическая
обработка; охлаждение с Л75° на воздухе)
по не получается такого крупнозернистого строения, как при первич-
ной кристаллизации высоколегированной стали. Поэтому в отливках нз
таких марок стали -влияние модификации на повышение механических
свойств не столь интенсивно.
Для иллюстрации, в частности, влияния раскисления и положитель-
ных модификаторов (модификация 1 рода) возможно привести следую-
щие данные.
Таблица 12
Влияние раскисления я модификации силикокальцнем на повышение механических
свойств углеродистой стали (0,25% С) (вЗ)
Присадки Терми че- обработка Механические свойства
й с “ Se предел проч- ности CJ кг'мл^ h сужение
0,15% А1 0.15% А1-+-0, lOj-^SiCa Нормализа- ции и от- пуск 30,2 31,8 5ll.fi 52,0 00 60 29,2 31,2 45,2 54,2
Первичная кристаллизация стали в отливках
lot
Влияние положительных модификаторов может оказаться таким
же, как и ннокуляторов (табл. 13).
Таблица 13
Влияние нипкуляторов (Al, Ti, Zr) и полижите чьных модификаторов (SiCa) на повы-
шение механических свойств никелемарганцовястон стали (0.30% С; 1.50% Ni;
1,50»/. Мп) 133]
Пртсадхи Термиче- ская обработка Механические свойства
= “ * предел проч- ности аь Kt! ММ? отношение -*•100% в» уллииенке \ сужение Ф, “о
0,06% AI перед разлив- Норма1им- 49.6 68,2 72,6 25,0 45,4
кон 0,10»/# Ti в (40%) - - виде FeTi пня н от- пуск То же 47.5 68,9 69,0 20,5 41,3
0,10%Zr в (40%) . . виде SiZr 45,3 68,5 66,2 22,5 49,2
0,10% Са в Р5»() . . виде SiCa • 47.1 71,0 66,5 23,5 48,9
Необходимо отметить, что положительное влияние кальция на
пластичность стали может заключаться также в образовании сульфи-
дов благоприятной формы или в более полном раскислении стали
и ликвидации вредного влияния водорода на пластичность (ом. ниже).
Таким образом, пути возможного влияния кальция являются до-
статочно сложными и зависят от ряда условий. Однако влияние это
проявляется уже прн таких «гомеопатических» добавках (0.05—
0,10*2), которые характерны для модификаторов.
Ниже рассматривается влияние бора на свойства стали, причем
эффективность этого влияния при малых добавках
исключительно велика и превышает все другие из-
вестные элементы. Достаточно иметь в стали только 0,001—
0,002% бора (что может быть определено даже не химическим,
а только спектральным анализом), чтобы проявилось его благоприят-
ное влияние на повышение пластичности и прокаливаемости стали
в отливках (см. рис. 414) Все применяемые в данное время гомеопа-
тические борсодержащие добавки получили название «интенсифи-
каторов».
Основная особенность стальных отливок, как элемента различных
конструкций, заключается в равномерных механических свойствах по
сечению и в различных частях отливки. Эта равномерность дости-
гается наиболее полно только прн квазиизотропном, безразлично-ориен-
тированном строении первичной кристаллизации. При столбчатой кри-
сталлизации (направленной, дающей так называемую «текстуру»
литого металла) механические свойства отливок вдоль кристаллитов
могут отличаться от поперечных, рис. 53.
Сталь имела повышенное содержание фосфора и горячо залива-
лась в металлические формы, чтобы обеспечить ярко выраженное
строение столбчатой кристаллизации.
Независимо от способа получения стали, предел прочности ( Зд)
достигает очень малых значений при высоких температурах. При этом
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
показатели о„ поперек кристаллов мало превышают таковые в пер-
пендикулярном направлении, вдоль кристаллов. Показатели же плас-
тичности (сужение о, °/t) вдоль кристаллов значительно ниже, чем
поперек, в особенности в некотором температурном интервале (1150—
1350°) для бессемеровской и электростали.
Это положение является одним из объяснений легкости образова-
ния межкристаллитных горячих трещин в отливках, имеющих строение
Рис. 53. Механические свойства ври различных температурах углеродистой стали
<0,26—0,35% С; 0.05—0,10% Р). выплавленной в различных плавильных агрегатах:
1 — электропечь; 2 — малобессемеровский конвертер; 3 — основная; 4 — кислая мар-
теновская лечь. Пробы взяты вдоль и поперек столбчатых кристаллов в оттнвке
трак «.кристаллизации. Что же касается неравномерности показателей
°й, кг 'мм2 и .j, % при нормальных температурах, то ома сравни-
тельно невелика. Она во всяком случае много меньше той неравно-
мерности продольных и поперечных проб, которую даст текстура ко-
ваных или катаных издеэнн.
Слс тует также учитывать, что при тонких ориентированных кри-
сталлитах (дендритах) зоны гранскрисгаллизации пластичность стали
в ней может оказаться более высокой, чем в зоне кру пных без-
различно-ориентированных кристаллов.
Тонкие ориентированные кристаллиты, растущие от наружных по-
верхностей в жидкий металл сплошным фронтом из многочисленных
зародышей, не имеют столь сильно выраженных межкристаллитных
дефектов (лор, пленок), как безразлично-ориентированные крупные
равноосные кристаллы, образующиеся в термическом центре отливки
или при е.с медленном затвердсвагцш. В этой зоне траискрнсталлиза-
цпи также меньшее развитие получает нормальная ликвация. В ре-
зультате, даже в угпородистой стали пластичность по образцам, выре-
занным из зоны тонкой транскристаллизации, оказалась по некоторым
исследованиям [28 а| более равномерной и значительно выше, чем в зо-
не крупных безразлично-ориентированных кристаллов термического
центра (например, удлинение соответственно 18 и 7$). Подобные же
данные получены другими исследованиями и для ударной вязкости
в отливках из легированной стали.
Прн оценке влияния транскрисгаллизационного строения на свой-
ства фасонных отливок необходимо иметь в виду, что в угловых сочле-
нениях, в местах стыка различно Ориентированных кристаллитов, об-
разуются плоскости слабины (усадочная рыхлость, неметалли-
ческие и газовые включения, ликвационные выделения, см централь-
Первичная кристаллизация стали в от.шл^ал
ную эону на рис. 36, а) Механические свойства стали в угловых
сочленениях отливки, имеющей транскристаллизацнонное строе-
ние, всегда более низки, чем при равноосных кристаллитах.
Рис 54. Изменена, строения и яс
хчиических свойств легированной
Нремнемарг^вцех.ромоник.ел'емолЫбде-
мовой стали по сечению крупной
кокильной отливки. Слева — сторона
металлической формы — мелкозер-
нистый излом; справа — сторона пес-
чаной формы — крупнозернистый
излом
В кокильных отливках, благодаря своеобразному строению их
первичной кристаллизации по сечению и смещенному «термическому
центру> (см. рис 18), механические свойства, особенно пластичность,
также изменяются по сечению, ухудшаясь по исследованиям автора
в зоне, примыкающей к песчаным стенкам стержня, рис. 54.
104
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
В центробежных отливках, залитых в металлические формы, по
ручается даже без модификации настолько мелкозернистое и равно-
мерное строение прн первичной кристаллизации, что после надлежа-
щей термической обработки механические свойства их будут очень
высокими. Простая углеродистая сталь может дать свойства, превы-
шающие таковые у низколегированной стали, залитой обычными спо-
собами.
Так, например, в последнее время получают центробежной залив-
кой в металлические формы орудийные стволы. По данным Уогертоу-
новского арсенала 1341, сталь с ~ 0,40 % С дает в отливке ствола
после сложной термической обработки (нормализация — 950°/воздух,
повторный отжит — 850°/печь, закалка - 825°.'вода и отпуск —
625°/воздух).
0,-43.5—45.0 кг/млС-. кг/МлА'. -100-G5 ;
Вв=14— 16°/©; ф=25—55%;
а после «а втофретажа»1 на увеличение диаметра ствола 76 мм
системы на 6,7% и отпуска при 300° для снятия возникающих напря-
^,=61,0—67,0 кг/млА; аь=73,0—81.0 кг/КЛ*
—100=85%; 86=5—11%; ф=36-48%.
о»
Такие высокие показатели предела текучести (°Л кг/ммг), сочета-
емые с достаточно высокими показателями истинной пластичности
(сужением ф, %), эквивалентны хорошим свойствам легированной кон-
струкционной стали.
Необходимо, однако, подчеркнуть, что и в центробежной отливке,
при неправильном режиме заливки, возможно получение неплотного
строения первичной кристаллизации, понижающего пластичность. Так,
например, центробежная отливка 0,35% С; 2,0% Ni; 0,9% Сг
и 0,3% Мо, имеющая неплотное строение типа рис. 43 (верх), дала
(среднее из 20 испытаний) ф = 17,6% и о* =4,6 кгм)см- (Менаже),
н то время как при плотном строении типа рис. 43 (низ) <, достигло
29,0% и а „—15,7 кгм]см2.
• «Автофретаж» — самоупрочиеиие путем наклепа, т. с путем некоторой
пластической деформации, получаемой в стволе под влиянием большого внутренне
го гидравлического давления (водой нт маслом до 5000 ат}. Вследствие этой дефор-
мации диаметр ствола несколько увеличивается, а длила уменьшается. Увеличение
тиаметра в процентах в известной мере характеризует результаты автофретажа.
ГЛАВА IV
УСАДКА СТАЛИ В ОТЛИВКАХ
Понятия усадки надо разграничить от тех усадочных явлений,
которые ведут к образованию собственно усадочных раковин. Широко
известные величины усадки чугунных отливок в 1 %, стальных в 2%
и т. д. в действительности совершенно не характеризуют ту усадку
металла, которая ведет к образованию усадочных раковин. Аналогич-
но, образование напряжений, горячих и холодных трещин связано
только с отдельными фазами полного процесса усадки отливки,
протекающего при ее охлаждении от температуры заливки до нор-
мальной.
Усадка металла, наряду с его жидкотекучестью и характером пер-
вичной кристаллизации, является одним из основных литейных свойств,
определяющих получение здоровой отливки заданной конфигурации
и назначения.
Как известно, объем жидкого или твердого тела V зависит от его
температуры t° и давления Р. Для обычных условий заливки практи-
чески можно пренебречь изменением давления. Поэтому изменение
объема и линейных размеров отливки будет зависеть только от изме-
нения температуры (если нет агрегатных или аллотропических пре-
вращений)
1'1 = К П + «1/ -и,-ад
/,=/. |1+а-«,-ад
где ау и а—функциональные коэфициенты, связанные с физиче-
скими свойствами тела. Они определяют способность тела изменять
объем или линейные размеры при изменении (повышении) темпера-
туры от to ДО t|.
Аналогично, при обратимости процесса и охлаждении отливки на-
чальных объема Уц или длины /• с температуры to до 6
ад
/,=Ч|1-“ (4 ад
Коэфиниепты хи и х при нагреве являются как известно нз
физики, истинными объемными (Ху ) и линейными (а)
коэфициситами расширения данного вещества в температурном интер-
вале toti. При охлаждении их можно назвать истинными коэфнци-
ентами объемного ( ар) и линейного (а) сжатия, т. е. коэф и ни ен-
тами соответствующей усадки при понижении температуры на 1°в ин-
тервале to --» tl-
Если куб с длиной грани 1о = 1 охладился на 1°, то ребро куба
будет иметь уже длину /| = [1—а]. Объем куба будет уже не Уи —
= /3о=13, а V) —/Ji = |1—а]3.
l(lb
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Так как значения а малы, то коэфициент объемной усадки будет
г. е. коэфициент объемной усадки в три раза больше
линейной.
При понижении температуры отливки объемом Vo—1 уже не на
1°, а от to до ti, для данного агрегатного состояния получится объ-
емная усадка
Е^=аи'<А. —Л).
либо линейная усадка
•^=«•(4, tj,
причем объемная усадка в три раза больше линейной
При охлаждении отливок от температуры заливки До нормаль-
пин температуры t 0 можно схематически различать три состояния
и соответственно три вида усадки:
1. Жидкое состояние, существующее при понижении темпе-
ратуры от tA до температуры ликвидуса t„.
В этом периоде в оттивке имеет место усадка жидкого ме-
талла
('«-'О- <18>
2. Состояние затвердевания, при понижении температуры
от /, до температуры солидуса tc-
В отливке имеет место усадка при затвердевании ev
3. Твердое состояние, существующее при понижении тем-
пературы от конца затвердевания tc до нормальной t — О. В этом пе-
риоде в отливке имеет место усадка твердого металла
^=7 *vT (К - 0) =% А- (‘
Таким образом, полная объемная усадка металла за пе-
риод полного охлаждения отливки будет
.=V,+«r,+ ,19<
Каждый из эт их видов усадки влияет на те или иные особенности
получения отливок. Например е»-ж и гг3 оказывают решающее
влияние на величину усадочных раковин, еГг На горячие и холодные
трещины, на размеры отливки и т. п. Поэтому четкое разграничение
этих видов усадки и анализ их влияния необходим литейщику для
определения нужных мероприятий по получению качественных отливок.
Усадка жидкого металла (вгж) и усадка при затвердевании
(ег,) рассматриваются обычно по физическому смыслу, как объемные,
в то время как усадка твердого металла может рассматриваться и как
линейная
• f£. (20)
Оперируя значениями усадки в 1% для чугуна, 2% для стали
н т. и., имеют в виду именно линейную усадку, протекающую
в отливках прн охлаждении после затвердевания.
Усадка стали в отливках
1П7
В практике величины усадки е понимаются всегда, как относи-
тельные величины, выражающие в процентах соответствующие измене-
ния объема или длины, т. е.
'°0'”
. J004’ ,
h
Необходимо отметить, что значения коэфнциентов усадки
а- и а не могут быть отождествлены с обратными величинами ис-
тинных коэфнциентов расширения В частности, коэфициент линейной
усадки ат(формула (20)] не является обратной величиной к истинно-
му коэфициенту линейного расширения а в интервале температур от
нуля до затвердевания ft, — 0 до t,).
Такого коэфициента вообще не существует, так как в интервале
to До fc происходят фазовые превращения, характеризующиеся для
каждого состояния различными значениями а (например, для Fe- т
в полтора раза большими, чем для Fe-a, и т д.).
Коэфициент является средней величиной
термического сжатия в интервале tr—to- Эта величина
подучается в конечном счете, как результирующая различных значений
коэфнциентов а для тех различных фаз, которые образуются при ох-
лаждении металла от t до to-
Характеризуя величину усадки отливки, в практике понимают
выраженную в процентах разницу между линейными размерами мо
дели (/моя) и отливки (/0 ). т е. относительную величину
. 10(у. (*?])
от*
Величина згой усищи, на«ывлемоп ли генной усадкой, отли-
чается от величины линейной усадки. Она зависит не только от зна-
чений коэфициента линейной усэдки а, н температуры затвердева-
ния металла tr , но и от конструкции отливки, условий извлечения
модели из формы, методов ее изготовления и т. д.
Таким образом, величины питейной, а также линейной и объем-
ных усадок зависят как от физико-химических свойств металла, так
и от технологических особенностей формы.
А ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ
НА ЕЕ УСАДКУ
На усадку металла в жидком состоянии и при затвердевании
влияет не только термическое сжатие, но и выделяющиеся нз стали
газы, а на усадку в твердом состоянии — превращения, происходящие
при остывании
Основное влияние свойств стали на усадку закзю-
чается все же в термическом сжатии, претерпевае
мом сталью при охлаждении Как извсы ио, размеры тела
определяются средними расстояниями между соседними частицами.
106
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Уменьшение этого расстояний при понижении температуры ведет
к термическому сжатию тела *.
I. Усадка стали в жидком состоянии
Усадка в жидком состоянии ведет к понижению уровня
жидкого металла посте заполнения им формы (понижается высота
жидкого металла в форме — сечение же его остается без изменения).
Она рассматривается только как объемная. Для стали данного состава
эта усадка является переменной величиной, так как зависит от коэ-
фициента объемной усадки жидкой стали (агж ) и от температуры
заливки (£ж):
<<•—1™ выше <'s)l
При постоянной для данного металла температуре ликвидуса t,
усадка будет тем больше, чем выше перегрев стали
(( ж — t* ). Что же касается коэфициента усадки ас ж. то его значения
могут изменяться в зависимости от количества выделяющихся из стали
газов и от тех значений температур, при которых рассматривается
Многочисленные исследования определили значения коэфициента
объемной усадки жидкой стали (углеродистой) в пределах о г
0.4 I0"2 до 16 10~2% на 1°С. Эта разница связана с трудностями
экспериментального определения з.уж и с различным количеством вы-
деляющихся газов из исследуемых сталей. На основе этих работ мож-
но принять, что среднее значение а гж для углеродистой стали состав-
ляет около 10 - 1О^% на 1° (наиболее достоверные данные дают
1.6 10"2 и что оно сравнительно мало изменяется в зависимости
от температуры.
При этом нужно отметить, что указанному влиянию газов на ве-
личину усадки жидкого металла придают иногда настолько большое
значение, что неправильно объясняют вообще весь процесс усадки,
приписывая его только выделению газов и пренебрегая термическим
сжатием [36].
Принятое среднее значение в 1,0 10'2 % на 1Э характеризует
коэфициент усадки жидкой стали, как более высокий, чем твердой ста-
ли, даже при температурах вблизи затвердевания (0,6-1(НЖ).
Повышение содержания углерода в стали повышает еуж примерно
на 20% на каждый 1 % С. Кремний, марганец и фосфор незначительно
1 По представлениям современной физики твердого тела подобное уменьшение
среднего расстояния между частицами металла возможно только прн наличии ан-
гармоиичных сил в крясталтах и, следовательно, аягармоннчиых колебаний атомов
или позитивных ионов в узлах решетки [35J. Частицы твердого тела могут север
шать около своих положений равновесия колебания, амплитуда которых определяет-
ся силами, действующими на частицы, Амплитуды колебаний зависят от состава,
строения и тештературн тела. При понижении температуры энергия частиц и соот-
ветственно амплитуды колебаий их уменьшаются Но так ках амплитуды гности-
ческих колебаний в обе стороны от положения равновесия одинаковы, то среднее
положение частицы, претерпевающей такие колебания, при любой тешературе оста-
нется без изменения по отношению к этому положению равновесия. Следовательно,
термическое расширение «ля сжатие могут произойти только в том случае, если дви-
жение частиц люлчиняеггся янга||Мснтч’сиим колебаниям. Чем больше при понижении
температуры, отклоняются частицы от средних (положений равновеонч. тем больше
усадка.
Характер ангармонических колебаний и соответственно усадка при данном no-
il ижеили температуры зависят от состава и строении металла. Из известных сортов
стали только никелевый (36% Ni) сплав инвар (от латинского слова — неизменный)
имеет коэфициент я очень низкий (в 10 раз меньше железа) и -практически б спре-
де ленном интервале изменении температур почти не обладает ня термическим рас-
ширением, ни сжатием.
Усадка стали в отливках
W9
повышают «иж. а хром и алюминий, повидимому, немного понижают.
Особо резко повышают абсолютные значения удель-
ного объема жидкой стали углерод и кремний, рис 55.
Рис 55. Влитие элементов на удельный
объем жидкой стати при 1600° и твердой стали
при 20° fno разным исследованиям)
Влияние элементов на удельный объем и вес жидкой стали важ-
но при анализе условий заполнения формы, определения величины на-
пора стали и т. и.
2. Усадка стали при затвердевании
Усадка стали при затвердевании (Ещ) также рассматриваемая
только как объемная, не может быть так связана с чисто термическим
сжатием, как усадка в жидком или твердом состоянии.
При затвердевании изменяется агрегатное состояние, атомы полу-
чают упорядоченное состояние, освобождается большое количество
энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации, резко увеличивается
количество выделяющихся из стали газов. Кроме того, в интервале
ликвидус—солидус происходят некоторые реакции (перитектические,
раскисления, диффузии и т. п-), влияющие на изменение удельного
объема стали. Наконец, вблизи интервала затвердевания в жидком
металле существуют предкристаллические явления, вследствие чего
вообще нельзя провести строгого разграничения между усадкой в жид-
ком состоянии и при затвердевании.
Рассматриваемые особенности усадки при затвердевании отража-
ются, конечно, на тех трудностях в экспериментальном ее определении
и на тех различных результатах, которые получаются у разных иссле-
дователей (от 1,5 до 4,3%).
Можно принять для углеродистой стали (~0,35% С) значение Ег,
около 2,7—3% от объема при нормальной температуре.
В противоположность усадке в жидком и твердом состоянии, опре-
деление коэ фициен та усадки при затвердевании (на I ) не имеет
физического смысла. Однако с увеличением интервала за-
твердевания усадка при затверденанин та ж же дол
жна увеличиваться.
Поэтому с повышением содержания углерода повышается в Гэ
в стали (табл. 14).
40 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Таблица 14
Влияние содержания углерода на усадку стали прн затвердевании
Содержание углерода, % 0.10 0,35 0,45 0,70
Усадка при затвердевании eVtu % 2,0 3.0 •.з 5,3
Необходимо отметить, что в стали в противоположность серому
чугуну всегда имеет место усадка при затвердевании. Это свойство
стали является одним из основных ее недостатков, как литейного мате-
риала, по сравнению с обычным серым чугуном.
3. Усадка стали в твердом состоянии
Усадка стали в твердом состоянии может рассматриваться и как
объемная (ег, ), но преимущественно, как линейная (е, ). Если ли-
тейная усадка (ел) зависит в значительной мере не только от свойств
металла, но и от свойств формы, <» свободная швейная усадка опре-
деляется главным образом физико-химическими свойствами стали.
Наибольшее значение в этих свойствах имеет термическое сжатие,
обусловленное уменьшением внутренней энергии. Коэфициент термич.
ского расширения или сжатия твердою металла в темисритЯрним цц
тервале, даже не имеющем фазовых превращений, является перемен-
ной величиной, зависящей от температуры. Например, для чистого же-
леза:
при 1° | —2Оо| - 10о| 0 | Ь ИХ) -|~20oj-J- 100 4-ЫМР
|—3,о| ю| 11 ,ъ| 12,7 13,з| 14,8 16,0
Как указываюсь, полная объемная или линейная усадка твердого
металла ( а., или ег) зависит не только от среднего коэфицисита
усадки (аит или а но и лт температуры конца затвердевания (tL) 1
Ч - •“>, '«
вт=&г tc.
Поэтому, например, прн повышении содержания углерода, что вле-
чет понижение температуры конца затвердевания, линейная усадка е
уменьшается даже вне зависимости от величины х .
Оценивая изменение линейной усадки ет в зависимости от пере-
менных значений аг и tc, необходимо иметь в виду, что а, зависит
не только от температуры, но и от состава и строения стати.
Так, например, можно принять «1о0-]0-с для Fe-x в интервале от
0 до 100° изменяющимся от 11,1 до 12,8 при содержании от 0,006 до
0,94% С и в интервале 600—700° равным 17,4 при 0,006% С;
аяоо° ’ *0"* для в интервале от 900 до 1000° изменяющимся
от 22,2 до 23,9 при содержании от 0,006 до l,25n n С.
aioo -ю-* для Fe3C в интервале от 0 до 100° —10,5.
1 По последним исследованиям А. А. Бочиара пот t_ следует считать ие темпе
ратуру солидуса, т. е. конца затвердевания, а ту некоторую температуру внутри ни
«рвала ликвидус-солидус, при которой образуется непрерывная -сверлая фзза и пре-
рывная жидкая фаза, см рис. 24 (Изв. ATI СССР, Отд. техн наук. 1945, № J,
стр 2).
Усадка стали в отливках
III
На рис. 56 представлены величины а*10 для чугуна, углеродистой,
нержавеющей ферритной (15 и 30% Сг) и аустенитной (18% Сг
и 8% Ni) стали в литом состоянии. Для литой углеродистой стали
(0,20—0,25% С) в отожженном состоянии можно принять
11,4 - 1О ", а«° = 14,4 • 10“в и a|g°= 14.7 • 10~в.
Приведенные данные указывают, что коэфициент усадкн
твердого металла меньше, чем жидкого, что для ф е р-
ш а етс я.
На общую величину линейной усадки, кроме отмеченных значений
а- в определенном температурном интервале, влияют также фз
зовые превращения, происходящие в твердой стали при ее охлаждении
в форме. При превращении * -* у происходит сокращение объема,
а при превращении у— а — расширение, достигающее 1% Сжатие
8 — у и объемные изменения в точках Ле и /U диаграмм’.!
Fe С-сплавов мало отражаются на значениях усадки в на условиях
п .-имения здоровой отливки, рис. 57.
Расширение? может иметь большое значение
в процессе усадкн и за/иситотсостава и строения
стали. С повышением содержания углерода расширение ~ я мо-
жет уменьшаться (см. рис. 57). Это уменьшение объясняется тем, что
112 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
одновременно с расширением из-за перестройки решетки у в а про-
исходит ее сжатие вследствие выпадения углерода из твердого рас-
твора в аустените. Рентгеноструктурным анализом определено, что ато-
мы углерода при 1 % С, находясь в решетке Fe- 7, увеличивают ее па-
раметр на С,О32 А, т. е. около 1%, Следовательно, при выпадении это-
го углерода после превращений у а происходит сжатие около 1%.
Однако, как известно, это выпадение углерода имеет место при
медленном охлаждении и равновесных структурах (например, перлит-
ной). Прн быстром же охлаждении, при закалке, когда получается
мартенситная структура, превращение а происходит, но атомы
у।лерода не выпадают, оставаясь на тех местах, где находились в твер-
loo ш вйо soo tooa tsOo ibajfiw
Tepntfomypa^C
Рис 57 Влияние температуры и содержания углерода
на изменение удельного объема литой стали
(по разным исследованиям)
Юм растворе в аустените. В этом случае расширение л достигнет
максимальной величины, вне зависимости от содержания углерода.
Влияние такого расширения на качество отливки в смысле образова-
ния напряжений и трещин окажется весьма опасным.
Влияние структуры, получаемой прн фазовых превращениях, ха-
рактеризуется тем, что наименьшее увеличение объема дает
перлитное, а наибольшее — мартенситное строение
(табл. 15).
Таблица 15
Удельный вес и объем разных структурных состмммци стали
Структурная
составляющая
Железо
(феррит)
Цементит
Аустенит
с 0,0% С
Перлит
с 0.9% С
Мартенсит
с 0,9% С
Удельный вес . . .
Удельный объем .
7,864
0,1271
7,670
0,1304
7,843
0,1275
7,778 7,633
0,1286 0,1310
i'cadiaa стали p отииЛках
Аустенитные и ферритные стали- сохраняющие свое строение при
всех температурах, не претерпевают фазовых превращений, и кривая
усадки их имеет, по исследованиям автора, плавный характер, рис. 58.
В ре мпг Z
Рис. 58. Вид кривой усадки в твердом состоянии аустенитной кислото-
упорной стали (18% Сг я 8% М), не имеющей фазовых превращений
Во всех остальных марках стали следует различать три этапа ли-
нейной усадки твердого металла-
1) доперлитную усадку (=Я1), протекающую в темпера-
турном интервале от конца затвердевания до превращения -
2) расширение а, (- — протекающее в темпера-
турном интервале превращений у а, зависящем от состава стали
и скорости охлаждения оттивки;
3) послепер.тнтную усадку (е ), протекающую в темпе-
ратурном интервале от конца превращений — а до полного охлаж-
дения отливки.
Расширение после затвердевания (см. рис. 11', вследствие процес-
сов диффузии и остаточного влияния скрытой теплоты кристаллизации,
гак -же как и объемные изменения при превращениях » ив кри-
ических точках Л, и Ао входят в результирующие величины соответ-
ствующих этапов усадки
Усадка твердого металла определяется, как объемная.
или линейная
*»’т *<‘*п
«г = «>п — + влп- <22)
Увяэ-явая эти этапы усадки с понятием о термическом сжатии,
можно при известном приближении отметить, что
Зп»— К • АД
114
Литейные, свойства ч первичная кристаллизация стали
где a -f — средний коэфициент сжатия в температурном интервале
от tc (коней затвердевания) до tf (начало преврещений
а' — средний коэфициент сжатия в температурном интервале от
t (конец превращения т — а) до to-
Отождествление же полной величины усадки твердого металла
с полным термическим сжатвем, имеющим мест? при охлаждении от
температуры конца затвердевания до нормальной
возможно только в том случае, если под а, понимать некоторое сред-
нее значение коэфнцнента линейной усадки, учитывающее модифика-
ции Fe-T и Fe-»,'« также расширение < — а-
Еслн же учесть^вамечающееся иногда расширение сразу после
затвердевания, то значение объемной усадки твердого металла будет
, =е - V —=в -1-е
и определение среднего значения и Гт в температурам тттервале
t г -♦ to еще более осложнится.
няется при повышении содл-р-
= 7,2—7,5%, а полной линейной
усадки ет = 2,4—2,5%. Послепер-
усздка
усади»;
Ряс. 59. Общие данные
с влиянии углерода на вели
чину линейной усадки твер
дого металла.-
твердого
Ниже подробно рассматривается
влияние состава стали на величину усад-
ки. Здесь же можно в виде иллюстрации
привести общие данные о влиянии угле-
рода и различных элементов иа полную
величину £г, а также на гяп. E<in я ^pBriD.
рис. 59 и 60.
том ргшврчм
Элементы состава стали, %
Рве. 60. Общие данные о влиянии элементов на
полную линейную усадку твердого металла
(по равным исследованиям)
Усадки стала в отливках
IQS
Необходимо отметить, что аустенитные стали- имеют вг бблыпую,
чем углеродистая, а ферритные меньшую (например, вт =2,7—2,9*/*
в аустенитной стали Гадфильда или кислотоупорной и вт =1,6—
в высокохромистой ферритной).
*
4. Полная усадка стали
На основании изложенного, полную объемную ^садку стали еив
и •„ в зависимости от физико-химических свойств ее в температурном
интервале от заливки t* до полного охлаждения ( = 0 можно предста-
вить, как
100=V. = •.-.+«г. + 'г, !=
= Ч'ж + ч + [=г„ “ Ч -». + V„!
(23)
где гид,, уже учитывает некоторое расширение после затвердев'ания
(—Vpscui) и сжатие при превращении & —
Кривая полной объемной усадки стали, залито^ при (ж (объем V*,)
и получающей после охлаждения объем Vo — 1 при’t =? 0, представлена
в общем виде на рис. 61.
Ветвь АВ — усадка жидкого металла. Положение
точки А определяется температурой заливки и накло-
ном ветви АВ. Чем выше, для данного металла, температура залив-
ки (ж, тем выше наланной ветви кривой АВ положение точки А, тем
больше Наклон ветви АВ зависит от состава металла. При дан-
ной , чем больше наклон ветви АВ (вправо, тем больше усадка жид-
кого металла ( Ерж).
Ветвь ВС—-усадка при затвердевании, зависящая о^лфтава ме-
талла rf величины интервала затвердевания (<л—tc).
Ветвь CD—-усадка твердого металла имурщая
участки СС' — расширение после затверде'ва.ни^ С£—
доперлиткую усадку, ЕЕ' — расширение при правра
щении Т-» а и EiD—послеперлитну ю усадку.
Полная объемная усадка мягкой стали а 0,06% С составляет
еи„ = 10,5°/о от •== 1600°, причем в этих- условиях было определено
ет=2,45, bvt ,= 7,35 и [• ж -k EiJ = 3,2%. Потная объемная усадка
повышается по мере повышения содержания углерода в Стали, главным
образом за счет усадки при затвердевании, и достигает 14% прнг 1 % С.
’Ya-блица 161
Влияние углерод* ня полную объемную -усадку
0,10 I 0,40 0,7ч 1,00
Содержание
углерода, ° 0
Полная объемная
усадка егп,
' 10,5 11,3 12,1 14,0
Следует указать, что при большом перегреве стали
с сравнительно низким содержанием углерода м о ж
hxj получить столь же большую полную объемную
усадку, как и в стали с 1% С прн меньшей п'ереГ'р.е»;.
Литейные свойства я первичная кристаллизация стали
Полная- объемная усадка стали с 0,35% С при очень высокой тем-
пературе заливки (1725°, т. е. с перегревом около 225е) составляет
13.5%, из которых «^ж£ч>3,60, «иа~2,7 и «rf=7,2n/e.
Рнс. 61. Общий вид кривой потной усадкн стали в жидком со-
стоянии (ветвь АВ). при затверденаиН'И (ветвь ВС) ц в твердом
состоянии (ветвь CD) (вверху). Полная усадка по зкепернменталь-
мым данным [3| углеродистой стати (0,35% С), залитой
при 1725° С (внизу)
Полная усадка стали в твердом состоянии ( еу, ) примерно равна
усадке в жидком состоянии и при затвердевании (г . ж 4- г..* ) не.
смотря на то, что «я, протекает в интервале 1470 — 0=1470',
а (ч-«+ sy, ) только в интервале 1725—1470 = 255° Таким образом
величина коэфиииентл усадки и жидком состоянии значительно боль-
чня стали
Усадка стала -в отливках
117
I очень высокой тем-
о 225е) составляет
%.
А
ОЬъсынпр
усадил
ше, чем в твердом. Кроме того, усматривается, что в величину полной
усадки данной ста ян в твердом состоянии (е г = 7,2%) входвт.-
а) объемная доперлитная усадка ег3„ — 4,41%, протекающая
в интервале температур 1470 690° и дающая, следовательно, линей-
ную доперлитную усадку гл„' ~ 1,47" 0;
б) объемное расширение прн перлитном превращении—_».=
= 0,33%, протекающее в интервале 690— 650° и дающее, следова-
тельно, линейное расширение - в _„ = 0,11 %;
в) объемная послеперлитная усадка е „„ = 3,12%, протекающая
в интервале от 650° до полного охлаждения (<t = 0) и дающая, следо-
вательно, линейную иослеперлитную усадку вР11 = 1,04%
Таким образом, из полной усадки углеродистой стали в твердом
состоянии доперлитная усадка составляет около 60%, а послеперлит-
ная около 40%. Расширение у — а Для этой стали, при медленном
охлаждении, составляет всего около 5% полной усадки.
Приведенные значения усадки относятся к условиям свободного,
беспрепятственною ее развития в охлаждающейся отливке, вне зависи-
мости от конструкции отливки и свойств формы Получаемая же
в действительных условиях литейная усадка стали в отливках может
резко отличаться от рассмотренных значений свободной усадки.
Б. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ НА УСАДКУ СТАЛИ В ОТЛИВКАХ
жидком co-
il в твердом
) примерно равна
1470 — 0=Н70
° Таким образом
‘начнтечьио боль-
Действительная усадка отливок обычно меньше той чннейной
усадки, которая определяется различными исследованиями (г, —
= 2,4% для углеродистой и гг =2,9% для аустенитной стали).
Исследование линейной усадки ’ производится на цилиндрических
пли призматических брусках, сокращение длины которых происходит
совершенно свободно. В реяяъыьисдке условиях усадка отливки всегда
протекает с определенным затруднением (торможением). В результате
такого торможения усадки, получаемые в отливке величины затруднен-
ной, действительной усадки будут всегда меньше свободной.
Но при расталкивании модели во время извлечения ее из формы,
при сушке формы, прн распоре стенок формы ферростатическпм давле-
нием или при некоторых особенностях конструкции отливки — проис-
ходит увеличение размеров заливаемой полости формы. Размеры
отливки увеличиваются по сравнению с теми размерами, которые оиа
должна была бы иметь по размерам модели после усадкн. В некоторых
случаях, при очень сильном расталкивании модели или при сильном
распоре стенок формы, можно получить размеры отливки даже боль-
шими, чем размеры модели Получится так называемая «отрица-
тельная» усадка. Таким образом, литейная усадка, опре-
деляемая по разнице размеров модели и отливки
(стр 107), может по природе своей сильно отличаться
не только от свободной, но даже от действнтель,-
пой (затрудненной) усадки .отливки.
В большинстве случаев практики, несмотря на одновременное раз
нитие процессов торможения усадк11_и увеличения размеров отливки
из-за расталкивания модели или распора формы, получаемая литейная
усадка отливки все же меньше полной свободной усадки стали. Полу-
* Описание методики определения линейно! усадки опускается, так как М-
лробно рассматривается методическом руководстве по лаборатории днсДжПлини
«Литейное производство», составленном кафедрой «Литейное производство» Ленин-
градского пояитехшгч 'кого нветвгутт им. М И. Калинина. Ctg. также «Эяцикюпс-
дпв -мащкнострпення». т. VI.
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
чаемые величины литейной усадки являются некоторой результирую-
щей тех индивидуальных технологических особенностей, которые при-
сущи каждой данной форме.
Аман .шл «« е.— - . н я
I. Затрудненная линейная усадка стали (действительная усадка)
Возможность получения величины действительной усадки меньшей,
чем свободная линейная, обусловлена тем, что отливки при охлажден
НИИ проходят область высоких температур, при которых н стали могут
раэдмться пластические дефор-
мации. Эти деформации про-
исходят под воздействием ка-
ких-либо сил, препятствующих
полному протеканию усадки
В результате линейная усадка
как бы уменьшается образую-
щейся деформацией металла.
Прн этом уменьшается не
только абсолютная, но и
относительная величина
Рк-с. 63. Крввие свободной таиейной
усадки брусков диаметром 20—50 мм,
залитых обычной у породистой мартенов-
ской сталью
Рве. 62 Явления свободном
* затрудненной усадки в от
лнаке брусков
уййдкй Практической Иллюстрацией отливки с такой затрудненной
усадкой может явиться рис. 62.
Линейная усадка круглого бруска длиной в 1 м ничем не стеснена
(трение о стенки формы несущественно). При заливке бруска сталью,
имеющей вг ~2%, его длина в 1 л получится при модели |мад =
=1020 мм. Если же отлить брусок такого же диаметра, но с выступа-
ющими фланцами, то они будут препятствовать свободной усадке
бруска. В отливке получится пластическая деформация, и ее длина
окажется больше 1 м. несмотря на ту же длину модели в 1020 мм.
В данном конкретном примере литейная усадка окажется равной
,00 = 1.19».
1008
Кривые свободной усадки брусков диаметром от 20 до 50 мм
представлены на рис. 63. Доперлитиая усадка, особенно в интервале
ДО 1000—1100“ протекает весьма интенсивно и очень резко выражена.
Послеперлитная усадка, протекающая при более низких температурах
и в условиях меньшей скорости охлаждения, менее интенсивно развц-
УсаВка стали отливках
119
вается во времени, чем доперлитная. Соответствующие величины этих
усадок представлены в табл. 17.
Таблица 17
Значения свободной усадки цилиндрических брусков диаметром 20—50 мм
из углервдвечвй мартеновской стали
0 бруска мм Кривая усадив рис. IJ3 Полна», усадка Ч.°/о До'псрлит- у садка *дп, % Послепер* литвая усадка •пп, % Темпера- тура заливки °C
20 а 2,20 1,19 1,01 1480
30 b 2.18 1,21 0,97 1460
40 г. 2.13 а ,06 1,07 1450
50 d 2,16 1,20 0,90 1490
Из таблицы видно, что величины полной и доперлит-
ной усадки для всех брусков, независимо от их
диаметра, примерно одинаковы. Величины послеперлитной
усадки (рассчитанной от температуры 700°) также примерно одинако-
вы, имея значения около I %- Таким образом, влияние скорости охлаж-
дения, при изменении приведенных толщин стенок отливки с 5 до
12,5 мм, почти не сказалось на изменении величин усадки. При заливке
тех же брусков с выступающими фланцами, препятствующими свобод-
ной усадке, вид кривых усадки резко изменился, рис. 64.
Доперлитная усадка, несмотря на протекание при "высоких темпе-
ратурах, получает слабое развитие, если встречает торможение. Дейст-
вительная усадка (затрудненная линейная) оказывается значительно
меньше свободной линейной усадки, причем главным образом за счет
уменьшения доперлитной усадки (табл. 18).
< ~r S Ж i ~5 ,Х" ' Таблица 18
Величины свободной и затрудненной усадим цилиндрических брусков с выступающими
фланцами из углеродистой стали
i (Я
& S е во" = о^
S3 ^5 Усадка н м h я h й Примечание (вид бруска)
<э§ S. с >,
и . т , 1
20 Свободная 2,03 1,01 1,02 1472 Хороший
30 Затрудненная — 0,34 0,21 0.13 1460 С трещинами Хороший.
Свобода я 2.13 1.12 1,01 1500
Затрудненная л 0 61 0,18 0,43 1470 С трещинами
40 Свободная б 2,07 1,06 1,01 1480 Хороший
Затрудненная с 0.89 0,41 0,48 1460 С трещинами
50 Свободная 2.19 1,01 0,89 Хороший
Затрудненная в 1,78 0’89 1490 С трсщниали
Как видно из табл. 18, все отливки с затрудненной усадкой дали
трещины. В практике, в условиях торможения усадки, литейная усадка
обычно не бывает меньше 1,0—1,25%. если отладка получается без
трещин.
>20
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
2. Влияние толщины стенок и длины отливок на литейную усадку
Из табл. 18 видно также, что по мере увеличения диаметра брусков
и соответственно толщины фланцев действительная и доперлитная
усадки повышаются. Это явление не следует связывать с влиянием
уменьшения скорости охлаждения на усадку брусков, что очевидно
из данных табл 17 об их свободной усадке. Объяснение заключается
в том, что с увеличением толщины стенок отливки
увеличивается ее тепловое и механическое воз-
действие на выступы формы или стержень, препят-
ствующие усадке. Под влиянием Этого воздействия сопротивление фор-
мы. яли стержня протеканию процесса усадки отливки ослабевает, вели-
чина действительной усадки повышаемся, рис.
Усидка стл/ut. в огмижях
121
Внутренний диаметр оттивкн цилиндра с толщиной стенки 20 мм
нужно получить равным 1 м. Принимая расчетное значение литейной
усадки в 2Ж. модель следует изготовит с диаметром стержня
в 1020 мм Однако в практике оказалось, что из-за сопротивления
центрового стержня усадке внутренний диаметр отливки цилиндра
получился 1005 мм. При расчете усадки в 2% диаметр в 1000 мм
получился только в отливке с толщиной стенок 60 мм (рнс. 65).
Рис. 65. Явления литейной усадки в отливках цилиндра
с различной толщиной стенок
Тепловое воздействие отливки заключается в том, что слон фор-
мовочной смесн, прилегающие к поверхности отливки, весьма быстро
нагреваются до высоких темпера-
тур. Вместе с тем формовочные
смесн, изготовленные с глинисты-
ми связующими, при нагреве вы-
ше 1000° теряют свою прочность
(глина теряет клейкость из-за де-
гидрацни и претерпевает усадку).
Поэтому такие слои формовочной
смеси превращаются в рыхлую
сыпучую массу (сухой песок), не
представляющую никакого сопро-
тивления усадке оттивки, рас. 65а.
Чем больше толщина
стенок от ч и вок и чем боль-
ше отвод тепла отнсе. тем
тотше прилег юший слой
Генлературв, "С
формовочной смеси, теря-
ющий свою прочность и не пре-
пятствующий усадке. Таким обра-
зом, в отливках с б о л ее тот
стыми стенками будут по.
чины действительной уса;
Рис. 65а. Горячая прочность формо
вечной смесн с различным содержа-
нием глины для стального лнтья
|учагься большие велн-
к и.
Одновременно механическое воздействие массивной отливки мо-
жет оказаться еще более эффективным, чем тепловое. Процесс механи-
ческого воздействия отливки довольно сложен и зависит от конструк-
ции отлнвки и от того сопротивления усадке, которое она претерпевает.
Для того, что&й уяснить сущность механического воздействия
отлнвки на форму, следует временно не учитывать влияние теплового
воздействия. Нужно представить себе, что разрушение формы на тол
«дину того слоя, Который необходим д-W обеспечения усадки отливки
происходит только под влиянием механического воздействия- В этом
случае, если имеются две отливки с различными толщинами стенок,
но с одинаковым сопротивлением усадке (цилиндры 20 и 60 мм —
рис. 65), может оказаться, что отливка с более массивными стенка мн
получит полную линейные усадку £] . Отливка же с более тонкими
12£ Литейные свойстве а пврвинмл кристаллизация стали
стенками получит стесненную действительную усадку е3, причем не только
относительно, но и абсолютно, в мм, ал будет меньше
Это означает, что стержень массивной отливки претерпел дефор-
мацию в размере ет , а стержень более тонкой отливки — меньшую
деформацию ея При этом массивная отливка, в которой усадка про-
текла полностью, не претерпела сама никаких деформаций, я тойко-
стенная же отливка — деформацию в размере ( •1 — «,).
Если обозначить среднее сопротивление упругим и пластическим
деформациям через условный модуль „упругости для металла отливки
Е 0, а для форчошашдй-ил* стержневой уплотненной смесд £*, то мож-
но составить уравнение равновесия сил взаимодействия м жту отливкой
и формой г~
р.=г.
*;•(,-и-
где
'ф — сечение деформированного слоя формовочной этржневой)
смеси;
Fo—сеченне отливки, претерпевшей деформацию;
( ед—«/—действительная (затрудненная) и свободная усадку.
Из уравнения оп • хиляется:
Уравнение (24) позволяет обосновать и объяснить несколько очень
важных выводов для практики.
1. С увеличением толщины стеиок отливок (сече-
ние Fc) увеличивается действительная усадка Это
означает, что. вне зависпмости от теплового воздействия массивных от-
ливок на формовочные смеси, одно механическое их воздействие спо-
собно преодолеть такое сопротивление усадке со стороны формы, кото-
рое тонкостенная отливка преодолеть не сможет
2. С увеличением сопротивления деформациям
металла Ео увеличивается действительная усадка',.
Это означает, что повышение данного показателя механических свойств
стали путем, например, повышения содержания углерода приведет к по-
вышению действительной усадки при прочих равных условиях тормо-
жения усадки
3. С уменьшением сопротивления деформациям
и размера деформируемого сечения формы, т. е. с уве-
личением податливости формы за счет уменьшения Е^
и F увеличивается действительная усадка е „. Это означает, что при
тонкостенных отливках следует обращать особое внимание на макси-
мальную податливость выступающих частей формы и стержней Это
достигается как за счет увеличения удельной податливости смесей (со-
став, сырая смесь и т. п.), так н за счет уменьшения мессы их (умень-
шение толщины, создание пустот и T. п.).
Приведенные выводы обосновывают ряд практических мероприя-
тий по борьбе с трещинами и напряжениями в отливках я вновь под-
черкивают, что чем ближе величина действительной
усадки к свободной, тем выше качество отливки
Переходя к влиянию длины отливки на величину действителыгой'
усадкн, нужно прежде всего отметить, что в отливках с одинаковыми
толщинами стенок, но различной длины, толгпнна податливого слоя фор-
1 Витки сделан совместят « Н. Г. Гиршовячем.
Усадка стала о отливках
1М
мбйочной смеси будет одна и та же. Абсолютная же величина усадки
в длинной отливке должна быть больше, чем в короткой, и в тем боль-
шей степени, чем больше соотношение длин отливок. В результате, из-за
сопротивления усадке со стороны не потерявшей прочности формовочной
смеси, в длинной отливке должна будет произойти ббльшая пластиче
сКвя деформация. В длинной отливке получатся меньшие относительные
величины доперлитной н действительной усадки
Результаты специального исследования влияния толщины я длины
отливки на действительную усадку представлены на рис. 66При за-
вивке брусков с фланцами длиной больше 450 мм (принятой длины и
исследованиях рис. 64) и толщи-
ной 30 и 60 мм в сырые и сухне
формы, — отливки с толщиной
60 jmIj имели усадку соответст-
венно 2,3 и 2,4% независимо от
длины (вплоть до 1000 мм)- От-
ливки же Толщиной 30 мЛе пока-
зали резкое уменьшение усадки
по мере увеличения своей дли-
ны. Следовательно, прн за-
ливке в1 б'ухие фо-рйы,
имеющие б б л ь ш у ю про^ч-
й
уо
^4
Толщина п
---Сырая ферма
----Сухая ч
'^'^ОзЬтЬо^Ь Б^) м) 900 №001
1‘ Длина Орусна^/м
ность, величины дейст-
вител##,0Й; усадки во
всех случаях меньшие,
чем при Заливке в сырые
формы.
В практике обычно прини-
мают при заливке углеродистой с
Рис. 66. Литейная усадка брусков
с фланцами в зависимости от тол-
щины и длины бруска при заливке
в сухие и сырые формы углероди-
стой сталью
тонкостенных отливок сложной
конфигурации, с большим количеством стержней, расчетные зна-
чени-я литейной усадки для конструирования моде-
лей—1,25—1,60%. Эти же значения принимают для массивных отли-
вок очень больших габаритов (длина несколько метров) при наличии
крупных стержней. Для массивных же отливок простой конфигурации,
с малым Торможением усадки (шаботы, плиты и т. п.), усадка прини-
мается в 2,0—2,5%. В некоторых сложных отливках усадка •может ино-
гда приниматься различной по высоте и ширине.
Прн еуЛи фЬрМах рисчетяая величина усадки принимается обычно
меньшей, чем прн сырых. Например, усадка между выступающими
фланцами отливок арматуры (клапаны, тройники и т. п.) принимается
прн сухих формах в 1,2%, а при сырых 1,4—1,8%.
Приведенные данные касались влияния чисто механического тор-
можения усадки. Но в отливках может иметь место и термическое
торможение усадки.
3. Механическое н термическое торможение усадки
Механическое торможение создается формой прн усад-
ке выступающих частей отливки или стержнями при усадке ее внут-
ренних полостей. Оно возникает вследствие сопротивления формовоч-
ных и стержневых материалов, траверс опок, каркасов стержней н т. д.
Во многих случаях торможение создается также связанной литнико-
вой системой
Термическое торможение усадки определяется кон-
струкцией отливки. Необходимо различать свободные и связан-
1 Из диссертационной работы Н Н. Соколова, см. сноску на стр. 33.
124
Литеиные свойства и пвртчмл кристаллизация стали
н ы е конструкции Например, крышка рис, 380, несмотря на то, что
представляет- собой сочетание массивной части (гнездо крышки) с более
тонкой частью, является свободной конструкцией. Усадка каждого из
этих элементов конструкции может протекать независимо. Развитие же
конструкции крышки в маховик с ободом (рнс, 224) является уже свя-
занной конструкцией- Усадка каждого из ее элементов не может
протекать свободно и независимо, В тонкой части отливки, вследствие
более быстрого охлаждения, процесс усадки должен протекать быст-
рее. Вследствие связанности с толстой частью отлнвки, может произой-
ти пластическая деформация.- растяжения в тонкой части и сжатия
в толстой части отлнвки. Такое термическое торможение усадкн вы-
зывает возникновение напряжений и трещин.
Главным фактором, определяющим отклонение величины
литейной усадкн от свободной, является меха-
ническое торможение усадки,
В табл. 19 приведены величины усадки, рекомендуемые для по-
строения моделей- -стальных отливок, имеющих свободную и связанную
конструкцию:
Таблиц 19
Рекомендуемые иелмчииы усадки дли различных отлнаок
из простом углеродистой стали
Металл
Длина
моделей
Тип
конструкции
У глеродистая
сталь
До 600
650—1850
> 1850
Открытая свободная
ЛвтеАмя
усадка ал
2.0
1.6
1.3
1,0
До 450
500-1200
1250 17СХ)
> 1750
Закрытая связаиня
Получаемая разница в усадке больших отливок может достигать
значительной абсолютной величины.
ГЛАВА к
УСАДОЧНЫЕ РАКОВИНЫ В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ
И МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМИ
Одним из основных последствий процесса усадки стал« является
развитие усадочных раковин в отливках. Усадочные раковины обризу-
ются в каждой стальной отливке, но размер, форма к расположение их
зависят от многих причин.
Еще в 1866 г. А. С. Лавров впервые определил, $ удивительной для
того времени точностью формулировки, что:
«Всякая болванка, получаекаи прн отливке жидкой стали форму или излож-
ницу, никогда не вы лит совершенно плотною, но бывает более или менее проре-
вана пустотами, кото|»1е остаются в болванке от двух причин- 1) от усадки и 2) от
выделения газов, поглощенных металлом во время его цчавки».
Усадочными раковинами называются определенные, тео-
ретически безвоздушные пустоты в затвердевшем объеме металла. Фак-
тически эти пустоты бывают заполнены газами или воздухом, В боль-
шинстве случае», как помазал впервые Д К Чернов |28j, на стенках
усадочных раковин имеются более или менее развитые дендриты, чти
валяется отличительным признаком усадочных раков'Ян Oi газовых.
Усадочные раковины могут быть сравнительно крупных разме-
ров — «макрораковины», сконцентрированные в одну или несколько
раковин в тон части отливки, которая затвердевает последней. Макро-
раковины могут быть также разбросанными По всему объему отливки.
Усадочные раковины малых размеров, не различимые невооружен-
ным глазом — «микрораковин ы», образуются в межосных про-
межутках дендритов или на границах зерен первичной кристаллизации.
Как указывалось, эти межкристаллитные поры, образующиеся в про-
цессе первичной кристаллизации, расположены преимущественно в тер-
мическом центре отливки. Они часто связаны с так называемой уса-
дочной рыхлостью, представляющей собой вытянутую вдоль тер-
мического центра отливки группу мелких макрораковнн, являющихся
прямым продолжением концентрированной усадочной раковины
В процессе затвердевания корка твердого мета пл а, образующаяся
на поверхности раздела металл — форма, растет внутрь отливкп. Тон-
кие части отливки могут полностью затвердеть в то время, как в тол-
стых частях будет еше жидкий металл, рис. 67 |3j.
Известно, что' коэфициент осадки в иЛтдком состоянии значитель-
но выше, чем в твердом Поэтому уменьшение объема металла внутри
отливки, происходящее в период ее затвердевания под влиянием усад-
ки жидкого металла и усадки прн затвердевании, будет более высоким,
чем уменьшение в этом же периоде наружных размеров отливки под
влиянием усадки твердого металла
В результате, после затвердевания получается
разрыв между объемом отливки, определяемым ее
наружными размерами, и объемом твердого четзт-
ла в ней. Величина этого разрыва и опретедяет собой
объем усадочной раковины в отливке.
Литейные свойства н первичная кристаллизация стали
Усадочные макро- н микрораковнны ослабляют сечение отлнвки,
являются причиной неплотности отливок, что особо важно в ус товиях
их работы под давлением. Эти раковины являются также очагамн раз-
вития горячих трещин и концентрации напряжений в отливках» пони-
Рис. 67 Нарастанае корки отливки с разлгаий тешадвоВ
стенок черев 5 сек.. 1 инн, 6 мни. омеле адлищ{щ (оесчдок -гэХ
форма — углеродистая сталь)
жают их механические, физические и химические свойства. Усадочные
раковины являются одним из основных дефектов литого изделия. Гурь-
ба с которым должна вестись до технически возможного предела.
Лишь в некоторых случаях (при низких напряжениях в работе,
больших запасах прочности, общих соображениях конструктивной
прочности детали и т. п.) можно частично обойти необходимость пол-
ного применения всех мероприятий по борьбе с развитие ч усадочных
раковин в стальных отливках.
Для правильного упривления процессом получения здоровой
отливки, необходимо отчетливо представлять механизм обризования
усадочных раковин. Несмотря на важность этого вопроса, в литерату-
ре и практике еще существуют противоречивые и часто неправильные
данные (особенно в германской литературе, см, ниже).
• I4 Н» .W I ИМК * - (I <'-L . ‘ I »'
1. Теория образованна усадочной раковины и формулы Н
для определения ее объема
Для вскрытия механизма образования усадочной раковины было
предложено рассмотреть процессы усадки в равномерно охлаждающей
ся со всех сторон отливке к\ба в течение четырех основных момен
тов [37].
Момент 1 — заливка. Куб заливается мгновенно неталлом,
имеющим такую высокую температуру tM , что никакой твердой короч-
ки на поверхности раздела металл —форма не образуется (рис. 68—
вверху, слева).
Упадочные рокочи** в стальных отливках
12*
Благодаря быстрой ааливке, нет разницы в температурах жидкого
металла в центре и по граням отливки. Кривая распределения темпе-
ратур металла по сечению отливки обращается в прямую линию На
диаграмме средней части рис. 68, в осях температура — сечение
ьо. Процесс образования усадочной раковины в отливке равномерно осажда-
ющегося куба: EFE'—кривая распределения f° жидкого металла в момент начала
затвердевания 'отливки; GHG" — кривая распределения (М Твердого металла в момент
ица эатвердаваиня стлали; ABCD — кривая усадки металла, сокращакпцдгос
дрк затаррдев^и1р , - J; А'В С'О’ — кркаая усадкк металла, расширяющегося
при затоердеаднии (—г
отливки, кривая температур металла в момент I заливки изобра-
жена прямой линией (G. где X — расстояние данного элемента сече-
ния куба от его оси О— О
Момент II — начало затвердевания отливки. После
заливки куба никакой доливки, т. е. никакого поступления дополни-
тельного жидкого металла, не производятся. Залитый куб подвергается
равномерному охлаждению по всем граням. В отливке устанавливается
температурный градиент соответственно потоку тепла от центра к гра-
ням. Через некоторый промежуток времени охлаждения температура
наружных граней куба понижается до температуры затвердевания
металла. На поверхностях раздела металл — форма, по граням куба,
образуется тонкая корочка твердого металла. Внутри отливки имеется
еще полностью жидкий металл (см. рис. 68 —вверху слева, куб
момента П).
Кривая риспределения температур жидкого металла по сечению
куба в момент II — начала затвердевания отливки и образовании
128 iurtHmie свойстве и Первичная кристаллизация стола
бесконечно тонкой корочки на ее гранях — имеет" вид некоторой пара-
болической кривой EFE (средняя часть рис. 68). Кривая EFE' дает
температуру жидкого металла для любого элемента сечения куба
на расстоянии Л от оси О^О куба. Максимальные темлеритуры жид-
кого металла в момент начала затвердевания господствуют в цент-
ральных зонах отливки
Момент 111 — конец затвердевания отливки. При
дальнейшем охлаждении начавшей затвердевать отливки, чере: неко-
торый промежуток времени, к моменту III, Температура центральной
зоны также достигает той температуры затвердевания металла, кото-
рую имели наружные грани отливки в момент II. Наступает полное
затвердевание отливки. При этом, температура у осн О — О куба
достигает температуры затвердевания (tj а на гранях куба более
низкой температуры (fo).
Внутри отливки имеется уже полностью затвердевший металл
с кривой распределения температур по сечению куба GHG'.
Момент IV — полное остывание отливки. Прн даль-
нейшем охлаждении затвердевшей отливки температурный градиент
по сечению отливки уменьшается и исчезает Через достаточно дли-
тельный промежуток времени, отливка куба приобретает температуру
окружающей атмосферы [t — 0). Кривая распределения температур
твердого металла по сечению отливки принимает вид прямой лнннн
(линия t 0, X в момент IV).
Усадочная раковина — теоретически безвоздушное пространство
(пустота) в полностью охлажденной отливке — является следствием
процессов усадки, развивающихся в отливке в промежутки времени
между моментами I—IV.
Для определения величины (объема) и условий возникновения
этой усадочной раковины необходимо рассмотреть процессы усадки
в отливке в каждый из перечисленных моментов. В правой части
рис. 68 представлена кривая ABCD полной усадки стали в несколько
упрощенном виде
По осям отложена температура и объемная усадка (t. *z). Ветвь
АВ характеризует объемную усадку жидкого металла <«,, ). Ветвь
ВС — усадку при затвердевании (гИя ). Для упрощения принято, что
затвердевание металла происходит при некоторой постоянной темпе-
ратуре f,, а не в интерва те ликвидус - солидус. Ветвь CD указывает
объемную усадку твердого металла ( е ит ), причем для упрощения
не рассматривается расширение после затвердевания и при превра-
щении г - а.
Таким образом, полная объемная усадка металла при охлаждении
от температуры за швкн гж до наружной температуры / = 0 будет
E»B«rH..°n3£,'*_L er« г^-
Нужно подчеркнуть, что эта величина полной \сатки металла
отличается от той литейной усадки, которую будет претерпевать
отливка по своим наружным размерам В результате разницы этих
усадок получится разрыв между объемом отливки, определяемым ее
наружными размерами, и тем объемом плотного твердого металла,
который заключен в отливке Этот разрыв определяет собой объем
усадочной раковины.
Если обозначить объем полностью охлажденной отлввкн в момент
IV через Vй в заключенного в ней твердого, плотного не-
Vcado44Ut раковины в сГсмнЫХ отливка*
галла через V** , то абсолютный объем полученной Усадочной ра-
ковины будет (рис. 68 — слева внизу)
piv— ] IV T'lV
р О т *
а ее относительная величина
v;v y»v-v[v
~ •• ,Е<Г . 7.
Аналогично Ц любой момент затаривания отлнвки объЦюм V,
И»
и в любой момент остывания затвердевшей отливки
v9=vt— vr
Рассмотрение процессов усадки отливки по наружным ее разме-
рам и усадки заключейного й ней твердого плотногЬ Металла по кри-
вой усадки ABCD приводит к следующим выводам.
Момент I. В момент заливки в отливке Куба’ имеется больно
жидкий металл с температурой tM- Следовательно в момент I;
а) объем куба с длиной грани /«будет ki = V«=Z’M(;
б) объем затвердевающей отливки будет VZIs = 0;
в) объем твердого, плотного металла внутри отлнвки =^в; *'
।) объем усадочной раковины внутри от. .ивки 4’л‘р » О
М о ft ,е н т II. В момент начала затвердевания по граням куба
образовалась тонкая наружная корка, а внутри находится /жидкий
металл, имеющий различные температуры по сечению соответственно
кривой распределения температур EFE'.. Следовательно в момент 11’
а) Объем куба Vб) * * * * 11 будет меньше V =Vh; на объемную
усадку жидкого металла, получившуюся при падении температуры от
/ж до некоторой средней температуры жидкого металла внутри от-
ливки в момент начала ее затвердевания.
Эта средняя температура 1ЛГ, (см. рис. 68) Определяется из' кри-
вой распределения температур EFE'. Она зависит рт нарвысщей тем-
пературы жидкого металла в центре начинающей затвердевать отливка
(точки F) к наииизшей температуры на гранях отливки (Г, — точки Е
и Е').
Таким образом
И‘=>ж *-•«)!>
ГМ аГж —'коэфицнснт объемной усадки жидкого металла. Его ве-
личина может быть принята независимой от температуры в й'йтерва'ле
б) Объем затвердевающей отливки, определяемый по наружным ее
размерам, в момент И еще не существует У” = 0, так Karf на-
ружная тонкая корка затвердевшего металла в момент II трльно плотно
охватывает заключенный в ней объем жидкого металла.
Литейная и вообще линейная усадка отливки, как указывалось
выше, может быть определена только с момента образования твер-
дого металла в отливке Следовательно, изменений линейных наруж-
ных размеров затвердевающей отливки начинается между моментами
И и III. В промежуток же времени между моментами I ji II произошла
только объемная убадка жидкого металла, равная Уж «у«-(Ск^-^ж.с)-
13в
Литейные свойгтлл и первичная кристаллизация стали
Эта усадка сказалась только в понижении уровня залитого жид-
кого металла. В результате этой усадки получился разрыв между
объемом полости формы в момент заливки и объемом начинающей за-
твердевать отливки, т. е. получилась пустота внешняя по отношению
к отливке (куб превратился в параллелепипед).
Получается как бы «внешняя» усадочная раковина. Внутри же
начинающей затвердевать отливки никакой усадочной раковины еще
нет, так как:
в) объем твердого плотного металла внутри отливки V” =0
(пренебрегая объемом тонкой затвердевшей корочки);
г) объем усадочной раковины р'и — р™—^1/|] = 0.
Момент III. В момент конца затвердевания внутри куба нахо-
дится уже твердый металл, имеющий различные температуры по се-
чению соответственно кривой распределения температур GHG'. Следо-
вательно, в момент III:
а) объем куба V111, объем отливки к концу затвердевания,
зависит от усадки объема V11 за период между моментами II и III.
Эта усадка определяется разницей температур (t, fr.c), где tr.c
средняя температура твердого металла в момент III
е’ — • (Л — ft с),
где — коэфициент объемной усадки твердого металла, принимае-
мый для упрощения не зависящим от температуры.
Объем куба но наружным своим размерам в момент III — конца
затвердевания, будет
уш = рн-[1 aUi- (4,-f, ,с)].
б) В промежуток времени между моментами II и III в отчивке
куба образовался объем твердого, плотного металла V,111. Этот
объем образовался из жидкого металла объема V11 . претерпев усадку
согласно кривой ABCD.
1) в жидком состоянии, при падении температуры от (ж.‘е до G,
равную
2) при затвердевании (при температуре G), равную V11 • ег>.
3) в твердом состоянии, соответственпо падению температуры от
t3 до некоторой средней температуры твердого металла tr.c, опре-
деляемой параметрами н видом кривой GHG'.
При этом объем твердого металла все время меняется, от нуля
в момент II до V11 - . (/, — tr.c) в момент Ш.
Следовательно, приближенно можно принять, что средняя вели-
чина усадки объема твердого металла за период между моментами
II и III будет
4,-v' J.
Таким образом, объем плотного, твердого металла в момент III
будет
’Г = Г"- [1 — »гж'('ж. -—V. -I((,- t„,)(.
Усадочные раковины в стальшис отливках
131
в) В промежуток времени между моментами II и III должна уже
образоваться усадочная раковина, если только существует разрыв
между объемом отливки, определяемым по наружным ее размерам,
и объемом, плотного, твердого заключенного в нем, металла.
Абсолютный объем усадочной раковины к концу за-
твердевания орливкн в момент III будет
г;"=)1и—И"=>'" -п—«г, 111 [1 vA-.-
«,) ч А-'.. Л;
rj"=П"->•;"=I° с-«,)+(г,-г,.,)-
Ч А-4 Л
[<v«(‘...»o+4-°-s“i-, ft-'. Л-
Относительный объем усадочной раковины (по
отношению к объему в момент конца затвердевания) будет
ГЛЦ TZIII
у —____р — , р__________ ,
Р j/iii V11 •[! аГт.(4— Гт.е)]
или, пренебрегая малой величиной агт • {ta — 4.с.), по сравнению с 1,
011 011 011
Vp= 01 ~ 01 ~ = ®гж ' с *э)+ sra 0'5 ’ ®ет ' Л — )
или, поскольку ttvI = 3aI,
< ₽ = »и« • (<ж с - /J +V. “ t5 • ar • (is -«.J- (23)
Таким образом, усадочная раковина образуется в отливке между
моментами II и III. т. е. топко между началом н концом
затвердевание отливки. При этом относительный объем
усадочной раковины равен с у м м е:
1) объемной усадки жидкого металла внутри за-
твердевающей отливки (от начала до конца затвердевания —
между моментами II н III) гиж=«кл - (^ж.с —
2) объемной усадки при затвердевании еу3,
3) объемной усадкн твердого металла внутри затвердевающей
отливки (за период от начала до конца затвердевания)
•уг ~ *1® ЛУТ ‘ Л- Д
Эта сумма усадок должна быть уменьшена на объемную усадну всей
отливки в целом, за период от начала до конца ее затвердевания 1
ft-'.-.)-
Таким образом
+ч+ч-ч„- ,25а)
Практическое значение имеет абсолютная и относительная вели-
чина усадочной раковины не столько в момент III, конца ее образо-
вания, сколько в момент IV, т. е. в полностью охлажденной отливке.
1 Это наложение было отметеяо Н. Г. Гирпювичем [3BJ.
132 Литейные caoicna. а первичная кристаллизация стали
Момент IV. Отливка приобрела по всему сечению одинаковую
температуру наружной атмосферы f=0. Она претерпела объемную
усадку, соответствующую падению температуры от tt.c, т. е. от сред-
ней температуры твердого металла в момент конпа затвердевания
всей отливки — до t = O.
Объем затвердевшей отливки, определяемый по ее наружный раз-
мерам в момент IV, будет
г5’=И" |1-«И1 ОД=r'" (i -х,,т
Объем плотного, твердого металла в момент IV будет:
и™=г;" ]1 (<„. ^о)|‘“-(i—v, <...)
Абсолютный объем усадочной раковины в момент IV:
г«¥ = р"- (1/‘Г - 4“) (1 - tt- J;
W =vz₽,O-vI^r.J.
Относительный объем усадочной раковины в полностью охлажден-
ной отливке:
г _ _
Р Viv v^tt уШ
ч *
Таким образом, абсолютный объем усадочной раковирц в охлаж-
денной отливке Vp, меньш^ соответствующего объеМр в момент
образования раковийы, т е. в мемен'г конца затвердёвания отливки
О7”1). Это уменьшение соответствует величине объемной усадкн
твердого металла после полного затвердевания отливки. Относительный
fee объем усадочной раковины остается без изменения, так как абсо-
лютное уменьшение объема раковины между моментами Ш и IV
точно такое же, как и плотного твердого металла и всей отливки
в целом. На основании изложенйбГб формула Ю А. НехенДзи и
Н. Г. Гирпювича Для определения относительного объема усадочной
раковины н отливке примет вяД
Ер = + ^8 + 6Vs — ,^0„
ИЛИ
f р “’l -+ -*• [«Иргл —Еит] (2G)
ГР “Кж • ~ + *<•,+*• i,5 аг. U, <. Д (27)
где ат —коэфициент линейно^ усадки твердого металла при
соответствующей температуре [см. формулу (25), из которой
1,5 ат = 0,5 а^]-
По предлагаемой формуле относи₽теьный объем уса-
дочной раковины равен сумме усадок жидкого ме-
Тййла и при за тверд еваян и ( «,, ), умепьшейной
на разность усадок отливки в цеЛом и твердого #е-
тЪлла в ней (е'^д— ). Все значения этих усадок от-
носятся только к периоду затвердевания отливки,
т. е. только к промежутку времени между моментами II и III.
1 ^садочцыв цакооины в стальнъи отливках 133
Разность усадок отливки в целом и твердого металла в ней умень-
шает объем формирующейся усадочной раковины вследствие того,
что уменьшение наружных размеров отливки в процессе ее затверде-
вания вызывает некоторое повышение уровня жидкого металла в_ее
центральных зонах.
Уменьшение объема усадочной раковины из-за подъема уровня
жидкого металла внутри отливки хорошо известно в практике чугун-
ного литья. Оно было впервые отмечено Н. Г. Гиршовичем [38], затем
другими исследователями. Оно было также замечено в стальных отлив-
ках [39 и др.].
Как будет видно из приводимого ниже анализа формул 26 и 27
значение рассмотренной разницы усадок ( — V ) невелико по
сравнению с суммой усадок ( V, 4" аиа1- Усадка жидкого ме-
талла внутри затвердевающей отливки и усад-
ка при затвердевании (e'v,) являются главными фак-
торами, определяющими объем усадочной раковины.
Для более углубленного изучения механизма образования усадоч-
ных раковин в отливках следует рассмотреть случаи, когда уже во
время заполнения формы происходит образование твердого, плотного
металла иа поверхностях раздела металл—форма. Как указывалось
выше, при выводе формулы для определения объема усадочной рако-
вины принималось, что вследствие очень быстрой заливки металлом
достаточно высокой температуры никакой корочки на Поверхности
отливки яе образуется.
Рассмотрение механизма образования усадочной раковины в усло-
виях медленного заполнения отливки с образованием корки приводит
к исследованию условий ее образования.
начиная только с момента II. Однако
здесь вносится известный корректив тем,
что при медленной заливке происходит
как бы доливка формы. Происходит ком-
пенсация поступающим жидким метал-
лом того сокращения объема, которое
претерпевают затвердевающие во время
яялявки слои металла. Эта компенсация
соответствующей части усадки жидкого
металла и усадки при затвердевании ве-
дет, естественно, к уменьшению объема
усадочной раковины.
Для оценки получающегося умень-
шения объема раковины следует рас-
смотреть схему рис. 69. Прн медленной
заливке сверху куба с длиною грани I
Рнс. 69. Влияние корни твер-
дого металла, образующегося
при медленном заполнении
формы яа уменьшение объе-
ма усадочной раковины
образуется корка затвердевшего метал-
ла, постепенно уменьшающаяся кверху. Средняя толщина корки может
быть принята равной s на середине длКны грани I.
Как известно, толщина затвердевшего слоя металла х за время /
может быть определена из уравнения
х=£-уЛ z,
где к — константа затвердевания.
Время z в данном случве должно рассматриваться, как время за-
полнения формы. При линейной скорости заполнения формы U (ско-
рость подъема металла в мм1с6к по высоте отливки) время
____ I
134
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
откуда толщина затвердевшего слоя s на середине грани длиной 1
должна будет определиться, как
»“1* pQ' '28>
Для упрощения возможно принять, что объем затвердевшей корки
в кубе будет
tf=6F-s
и что она не претерпевает усадку твердого металла.
Принимая значение s нз формулы 28, можно определить
k 1 ,.СЕ=в. f- . k-U-\
J U
Относительное влияние объема затвердевшей корки будет (по от-
ношению к объему отливин V):
Абсолютная величина корки и ее относительное
влияние будет тем больше, чем выше константа за-
твердевания к (зависящая от температуропроводности формы,
температуры металла н т. л-)-
Вследствие квадратичной зависимости V “ от 1 н U, влияние корки
будет особо резко заметно только в сравнительно неболь-
ших отливках (малое 1} и при сравнительно малой ско-
рости заполнения формы (U).
Чем крупнее отливка, тем меньше должна быть
скорость ее наполнения для достижения одинако-
вого влияния корки по сравнению с более мелкой
отливкой.
Таким образом, при учете влияния скорости заливки и объема
твердого металла, образующегося при заполнении отливки, необходимо
уменьшить относительный объем усадочной раковины, определяемый
у”
по формуле 26, на —, т. е.
V”
И={(»ж+«Ы [1 • /.T’- ir’l. (29)
Приведенные формулы для расчета объема усадочной раковины
могут дать количественные значения в том случае, если известны кри-
вая усадки ABCD для данного металла и кривые распределения тем-
ператур жидкого (EFE') и твердого (GHG') металла по сечению
отливки в моменты начала и конца ее затвердевания (см рис 68).
Кроме того, необходимо правильно оценить усадку отливки по наруж-
ным ее размерам в процессе затвердевания. Она зависит ие только от
свойств металла, но н технологии формы и конструкции отливки.
Кривые -распределены температур EFE' и GBG' могут быть .рассчитаны по
формулам, вывод которых произведен на основе уравнения Фурье (стр. 29).
На любом расстоянии х ст грани отливки температура жидкого металла (71-
Усадочные раковины в егальнык етяиекак
135
где #ж. 1з И /ф — те.юерагуры заливки, затвердевали и фора*ы.
- - и b ~ yf У-с-[ — температуропроводаость ,
к — константа затвердевания.
Для определения объема усадочных раковин имеется ряд других формул
предложенных различными исследователями.
Озанн (см. 140]) рассчитывает объем усадочной раковины, принимая удетьный
вес жидкой стали 7Ж 6.50 т1м3. плотной, твердой стали Тт = 7,77 т!м\ лвейпую
усадку е» =» 1,80% и объемную усадку ?Vj = S,30% по следующей формуле:
В общем виде форму тз Оззнна может быть представлена:
Следовательно» Озанн полагает вод бсолютцым объемом усадочной раковины:
- [(V. _ е)-ч.г ,
разность объемов залитого жидкого металла к полученного плотного твердого,
уменьшенную на объемную усадку твердого металла в игтервале температур гв -*
Таким образам, формула Оэажм не учитывает, что: I) объем усадо’жой раковява
не зависит от усадкн жидкого металла до момента начала затвердевания отливки.
2) усадка отливки яо наружным ее размера» -в процессе затаердеваяня уменьшает
объем усадочной ракоышы н 3) относительный се объем должен оаредо-
лягься не по отношению к У'У.а ас
Гейн (4Ц приводит ряд существенных данных для математического расчета
усадочной раковины, во ограгжчивается рассмотрением ее образовали только с Мо-
мента начала затвердевания отливки. Гейн, считая, что раковина образуется после
затвердевания, не производят поэтапного разделения усадки на усадку в жидком
состоннии, при затвердевании и в твердом состоянии, а также не обобщает влияния
усадкн отливки по наружным се размерам.
Клаусс н Гедеритц (42] также считают, что усадочная раковина образуется
не только при затвердевании, Но и при последующем остывании отлижи При этом
объем раковины определяется н.чи по соотношению коэфмцпеитов усадкн е жидком
и твердом состоянии вяг согласно формуле:
^.....[2.Р»>
Г-Де —«шейный» жоэфнцамт усадки жидкого металла, т. е.—
hi и Ла—высоты отливки в моменты заливки №) и иачайа затъердееавия (th).
Если рассматривать условия заливки куба, то Л1 -=1жи Да=1ц- Следовательно,
после некоторых преобразований формулы (30) получится
v, - V. (2 + £') + £ 3>, • >.] <31>
Выше уже указывалось, что «линейный» коэфицнеит усадки жидкого металла
“жие имеет физического смысла. Его числовая величина может быть примята, как
’Г’ . Для вскрытия же физического смысла формулы Клаусса—Гедеритца можно,
в виде первого трнблжжеяия. принять для отзивки куба, что Это будет
вообще правильно для условий медленной заливки, когда момент конца заполнения
формы совпадает с моментом начала затвердевания отлмпкн (образование тонкой
наружной корки). л
Литейнелв слойства и первичная кристал/ц&ацпл стали
В этом случае формула (31) Клаусса—Гедчитц* срммет вид
П = Гж (вж - «ж - /.). 44-&г - | аИж + е„г].
Следовательно, физический'смысл формулы заключается в том. что объем уса-
дочной раковины равен сумме полных усадок жидкого в твердого металла.
Таким образом, формула не только не учитывает усадкн отливки ко наружным
размерам, twj даже усадка срк затвердевании. Однако ц числовых расчетах объема
усадочной раковкы, Клаусс к Гедернгц, а затем в более поздней работе отдельно
Гедеритц Ц42( учитывают асе же sUe, рэрдд е? значение в Из этях данных
можно установить, что формула, примененная Клауссом и Гедернтцем для числовых
расчетов объема усадочной раковины имеет ряд.
\р = [аиж+е1’1+еУт1-
Эта су*шарвая объемная усадка определяет объем плотяого. твердого металла
V,v, е не объем усадочной раковины. Таким образом, эта формула, как и формуле
Озанна. неправильна.
2. Анализ процесса образования усадочной раковины
а) Количественная характеристика объема усадочной раковины.
Из рассмотренной теории формирования усадочной раковины следует,
что весь пропес<| ее образования протекает только в периоде затвер-
девания отливки, т. е. между моментами П и III. При этом, усадоч-
ная раковина в отливке образуется только потому, что усадка металла
внутри затвердевающей отливки (е'Иж 4-:e^-f-£VT) больше усадки
отливки по ее наружным размерам за этот период затвердевания
( Ъ J — формула (26)
г( = [;?•« + 'V. + «0-,1 — «и™ = + -1-.I - — '1-.1:
Г, 1,5М<,
Для обычной углеродистой стали (С ~ 0.35%), заливаемой в сухие
песчаные формы с перегревом (t* fe). до 100°, можно принять
значение
(**. с - О Ж т. е (/ж. е — Q 0,3 • (/ж — (,).
Далее можно принять на основе данных стр. 108, 109 коэфициент
объемной усадки Скидкой стали аГщ~1% на 100°; усадку при за-
твердевании ву, ~3%; коэфициент объемной усадки твердой стали
при высоких температурах «и7 ~0,6% или соответственно тииейной
усадки а* =0,2% на 100°среднюю температуру твердого металла
#тс~ 1446° прн температуре наружной грани отливки к концу за-
твердевания *,>= 1435° и температуре затвердевания 1455° (ем. рис 8).
В этих условиях объем усадочной раковины в отливке нз обычной
углеродистой стали будет
V„ = 0,01 30 -I- 3,0- 0.003 10 « 3,25° п
рт объема отливки.
1 Средний коэфициент объемной усадки С(/т за период полного охлаждения от
I, до <ч=0 будет
аи = • 100 «0,37% на 100°
т /, 1455
в 7 -йвой уеадхя соответственно
жв.12% на 100°
Vct/^очные раковины в стальных отливках
13?
Для слитков, заливаемых углеродистой сталью в металлические
формы (изложницы), вцгж(4«л: — I,)ж 0,4(£ж t,)1, a (fj—£т-с) может
быть принято приблизительно 0,5 -(1455—1150) « 150°, откуда
Vp bi 0,01 40 4- 3,0 - 0,003 -1.50 — 2,95D/o.
Если принять для а1ж наивысшее значение из известных, т. е.
«к* = 1,6% на 100°, то для указанных условий перегрева V_ опреде-
лится дли песчаной формы в 3,4%, а для металлической 3,0%.
Приведенная расчетная величина объемна усадочной раковины до-
статочно удовлетворительно согласуется с рядом экспериментальных
анных.
В. Конопасевич [43] определял объем усадочной раковины в 0,9 -
2.5% от объема слитка в зависимости от отношения его высоты
к основанию (от 2,92 до 1,0) В Е. ГрумТржимайло [44] определил
объем раковины по отношению к объему холодной стали в зависимо-
сти от температуры заливки и состава от 1,2 до 2,4%. А. Ржешотар-
ский определил объем раковины в размере 2,64% от объема жидкой
бессемеровской стали, В. Костылев [45] в 3% от объема слитка, Ма-
тушка в 2,7%, Нельсон в 3,8% и т. д.
Для легированной кремнистой стали (0,20% С и 2,67 % Si) можно
определить расчетом из экспериментальных данных Гадфильда объем
усадочной раковины значительно выше 3%, что в некоторой мере
объясняется алиянием кремния на увеличение усадки стали в жидком
состоянии ц при затвердевании. По данным Гадфильда, сталь имела
удельный вес в слитке, т. е. в затвердевшем объеме вместе с заклю-
ченной в нем раковиной, усадочной рыхлостью и всеми порами 738,
откуда для 1 т V'JV может быть определен, как —0,135 м*.
Эта же сталь, после прокатки слитка на проволоку и, следователь-
но, удаления усадочной раковины и уплотнения пор дала уделывый
вес плотной проволоки Тт , ?,88, ОткУДа
И1?——— ==0,127.
т 7,88
Объем усадочной раковины и всех пор, включая газовые раковины
в данном слитке, может быть поэтому определен, как
V11' — Vw о, 135-0,127
I _= а * - 100=--------------• 100 = 5,93%
р 1 V™ 0,135
В обычных условиях заливки углеродистой стали объем усадочной
раковины и рыхлости, не считая пор, являющихся часто мелкими га-
зовыми раковинами, составляет обычно около 3,0—3,5%.
б) Влияние усадки жидкого металла внутри затвердевающей от-
ливки Е(/ж —ягш'(^ г 4)- При прочих равных условиях, чем боль-
ше коэфициент объемной усадки жидкого металла
’•и», тем больше усадочная раковина. Таким образом,
изменение состава стали (повышение содержания углерода, кремния
и т. д., см. 'рис 55), отклоняющее вправо ветвь АВ усадки в жидком
состоянии (см. рис 61), увеличивает объем усадочной раковины в от-
ливках, залитых в одинаковых условиях,
1 Для мегаллнчесго* формы принимается жоэфнцнеит 0,4 вместо 0,3 для неся*-
яоб вследствие более крутого наклона кривой распределения температур.
Литейные eebtctea к первичная кристаллизация стали
При одинаковых значениях коэфициента усадка жидко-
го металла внутри затвердевающей отливки будет
тем больше, чем выше его перегрев в момент начала
затвердевания отливки. Средняя температура металла в этот
момент tx с и соответствующий перегрев (/ж.с—13) зависят от вида
кривой распределения температур EFE' (см. рис. 68). Вид кривой
EFE’ зависит от температуропроводности металла и формы, от приве-
денной толщины стенок отливки, в также от температуры заливки tx.
Чем выше температура /ж, тем больше разница температур между
центральными н наружными зонами отливки в момент II; следова-
тельно, тем круче кривая FFE', тем больше усадка жидкого металла
внутри затвердевающей отливки, тем больше объем усадочной раковины.
Так теоретически объясняется факт алияння высокой температуры
заливки на увеличение объема усадочной раковины. Твк объясняется
и известное практическое правило, требующее для уменьшения уса-
дочной раковины возможно более холодной разливки—такой, кото-
рая обеспечивает только заполнение формы.
Так как влияние повышения скорости заполнения формы вполне
идентично влиянию повышения температуры заливки, то для умень-
шения объема усадочной раковины необходимо поии-
окя'ГЬ ян только температуру заливки, ио и скорость
заполнения формы.
Чем ниже точка Р кривой EFE', т. е. чем меньше разница темпе-
ратур между центром н гранями отливки в момент начала ее затвер-
девания, тем меньше усадка жидкого металла внутри отливки, тем
Меньше усадочная раковина. В теоретически предельном елмчае, при
одновременном затвердевании отливки по всему ее сечению, кривая
EFE' превращается в прямую ЕНЕ' (см. рис. 68) к усадочная рако-
вина обращается в нуль, исчезает.
Поэтому одним цз практических мероприятий по ликвидации уса-
дочных раковин является достижение одновременного затвер-
девания различных частей отливки.
Вид кривой EFE' и положение точки F зависят также от темпера-
туропроводности металла («= ту*). При прочих равных условиях,
чем вы ше- теп юпр о в о диость металла, тем меньше разница
температур между центром и гранями отливкя в пропессе ее затвер-
девания, тем меньше усадка жидкого металла (меньше ='гж), тем
меньше объем усадочной раковины.
Легирующие элементы, как правило, понижают теплопроводность
стали в твердом и. вероятно, в жидком состоянии. Поэтому, при про-
чих равных условиях, отливки из легированной стали дают
большую усадочную раковину, чем из углеродистой.
Теплопроводность формы влияет противоположно теплопроводно-
сти металла. Чем выше теплопроводность формы, тем
интенсивнее теплоотдача наружными зонами отливки, тем больше тем-
пературный Градиент по сечению отливки (см. рис. 9), следователь-
но, тем круче кривая EFE' и больше усадка жидкого металла е'нж.
Однако объем усадочной раковины может при этом и не увеличиться,
так как одновременно с увеличением «Чъ увеличивается и усадка
отливки по наружным размерам (e'vOTJ1j и константа затвердевания к.
Увеличивается также толщина корки металла, образующейся по стен-
кам формы прн ее заполнении.
В результате, при заливке в металлические формы,
несмотря на ббльшую усадку жидкого металла.
Усадочные раковины в стальных отливках
/39
усадочная раковина мойсе'г оказаться даже меньшей,
чем при заливке в песчаную форму (см. расчет выше,
стр. 137).
Аналогичные соображения следует использовать н прн анализе
влияния сырой формы по сравнению с сухой, магнезитовой или из
хромистого железняка по сравнению с Ьесчаной и т. и.
Наконец, необходимо отметить’ влияние отношения объема от-
ливки к ее поверхности охлаждения, т- е. влияние приведенной тол-
щины стенок отливки. Чем толще отливка, тем больше тем-
пературный градиент по ее сечению в периоде затверде-
вания, тем круче кривая ЕРЕ', больше и больше усадоч-
ная раковина.
Этим объясняется известный в практике факт, что чем массивнее
отливка, тем больше в ней усадочная раковина не только по абсолют-
ной, но и по относительной своей величине.
в} Влияние усадки при затвердевании в&я, Чем больше у сад-
ка металла при затвердевании, тем больше усадоч-
ная раковина.
Все стали, как правило, дают усадку При затвердевании. Лишь
в некоторых отливках из графитизированной стали возможна частичная
графитизация во время затвердевания и, в связи с этим, соответствую-
щее расширение. В серых чугунах расширение при затвердевании вслед-
ствие процесса графитизации может быть настолько велико, что усадоч-
ная рако&ина в отливках вовсе не образуется (ом. рис. 68 — кривая
усадки A’B'C'D').
Для этого нужно, чтобы расширение во время затвердевания
вместе с усадкой отливки по наружным ее размера^ компенсировали
усадку жидкого и твердого металла внутри затвердевающей отливки
v,=o; r«p, + v.„l = К,+
v,+15а, • «> -«,..)”%•» «...-О
В графитизированной стали, в отличие от чугуна, расширение во
время затвердевания из-за графитизации сравнительно мало и усадоч-
ная раковина всегда образуется.
В слитках из кипящей стали усадочная раковина вовсе отсут-
ствует. Как известно, в кипящей стали в процессе ее охлаждения и. осо-
бенно, при затвердевании выделяется большое количество газов. Часть
этих газов, не успевая удалиться из затвердевающего слитка, застревает
в нем, образуя газовые раковины (пузыри). Объем, занимаемый этими
раковинами внутри ститка, настолько компенсирует усадку в жидком
состоянии и при затвердевании, что концентрированной усадочной
раковины в слитке не образуется. В некоторых случаях, прн очень
большом количестве выделяющихся газов, происходит даже «рост»
стали: затвердевший слиток имеет больший объем, чем залитый. Бо-
лес подробно влияние газов на объем усадочной раковины рассматри-
вается ниже.
г) Влияние усадки твердого металла внутри затвердевающей от-
ливки ~ 0,5 - «у - (t3 — tT. и усадки затвердевающей отливки
но наружным ее размерам г[, r =«vT •(*»—^-«)-
Усадка твердого металла внутри затвердева-
ющей о т л я в к и ^ == 0,5 - (Д — Д.г) увел ичи веет объем
усадочной раковины и тем больше, чем ниже его средняя тем-
пература /г.с- Величина А.с определяется из кривой GHG' распреде-
140 Лиге иные свойства и первичная криста г шзация стали
лення температур твердого металлр по сечению отлнвки в момент кон-
ца ее затвердевания.
Чем больше разница в температурах твердого металла в центре
и по граням отливки в момент конца затвердевания, тем круче кри-
вая GHG'. Следовательно, тем ниже trC, тем больше (t, «r.J, боль-
ше e'vT и больше объем усадочной раковины.
Однако вид кривой GHG зависит от температуры t0 наружных
граней отливки. Чем ниже to, тем круче кривая GHG’. Но при этом
увеличивается усадка отливки по наружным своим размерам
’Ротл ®= ®ИТ (4 “ 4- с)>
так как увеличивается Р, — t».c). Эта усадка уже уменьшает объем
усадочной ракорины
Таким образом, результирующее влияние усадкн
твердого металла внутри отливки и усадкипо наруж-
ным ее размерам
- -к=°’5 ч •t • <4- 4. J
будет уменьшать усадочную раковину и тем в боль-
шей степени, чем больше коэфициент усадки твер-
дого металла «и, и чем ниже средняя температура
твердого металла к концу затвердевания отливки.
Из изложенного следует, что распространенное мнение О том, что,
чем больше линейная усадка металла, тем больше усадочная рако-
вина, ошибочно. В действительности, усадка в твердом состоянии не-
сколько уменьшает объем усадочной раковины и тем больше, чем
больше коэфицнеит усадки. Например, объем усадочной раковины
в фасонных отливках из стали и белого чугуна больше, чем в отлив-
ках из серого чугуна не потому, что больше их линейная усадка, а по-
тому, что больше усадка при затвердевании.
Разность температур (f3~ tr.c) зависит от температуропроводности
металла и формы и приведенной толщины отливки Она уменьшается
с выравниванием температур по сечению отлнвки (высокая теплопро-
водность металла, низкая теплопроводность формы, малая приведен-
ная толщина стенок отливки).
Таким образом, факторы, уменьшающие усадочную раковину пу-
тем выравнивания температур жидкого металла по сечению отливки,
неблагоприятно влияют при выравнивании температур твердого ме-
талла во время затвердевания отливки. Но относительное влияние
усадки .жидкого -металла значительно больше, чем усадки твердого
металла (для песчаных форм). Поэтому все условия, выравни-
вающие температуру по сечению отливкн, уменьшают
усадочную раковину.
Влияние усадки отливки по наружным размерам на уменьшение
усадочной раковины до сих пор рассматривалось только в условиях
свободного ее протекания из-за понижения температуры наруж-
ных граней с f, до t0- При этом пренебрегалось влиянием давления
газов в полости усадочной раковины и вообще возможностью тормо-
жения усадки, определяющей действительную и литейную
усадку отливки.
Литейная усадка отливки в периоде ее затвердевания в'рОТЛ1 может
отливаться от свободной усадки, определяемой величиной
«гг- (4 — 4 с)-
Усадочные раковины в стальных отливках И1
стали
вки в момент кон-
металла в центре
я, тем круче кри-
че (t 4«), боль-
уры t0 наружных
ГС'. Но при этом
азмерам
При торможении усадки окажется меньшей, ЧВм
V-Ч, U.J.
уменьшает объем
тние усадки
Д к и и о нару ж-
и тем в боль-
ус а д к и твер-
темпер атура
ня отливки,
мнение о том, что,
усадочная рако-
дом состоянии ие-
тем больше, чем
дочной раковины
(ыпе, чем в отлив-
йная усадка, а по
‘ратуропроводиости
Она уменьшается
[высокая теплопро-
> малая приведен-
нную раковину пу-
сечению отливки,
тур твердого ме-
ительное влияние
усадки твердого
) в к я, в ы р а в н и-
сн, уменьшают
эм на уменьшение
только в условиях
мпературы наруж-
злнянием давления
1М0ЖН0СТЫ0 торыо-
и литейную
йшп «'Го„ может
НИВОЙ
и объем усадочной раковины увеличится, не соответствуя уже фор
муле
V₽=^a[+v,-l,5'“T(<3-4.c).
В некоторых же случаях, наоборот, литейная усадка е'готя может
оказаться даже большей, чем - (/, — tT с). Например, под воздей-
ствием расширения формовочных и стержневых смесей, или под
влиянием атмосферного давления наружная корка в процессе затвер-
девания отливки может прогнуться внутрь, дополнительно подымая
уровень жидкого металла. При этом увеличивается разность "7 гйт
и объем усадочной раковины уменьшится.
В практике производства отливок из цветных сплавов с кристе т-
лизацней под давлением по методу акад. А. А. Бочвара усадочные
раковины уменьшаются не только за счет вдавливания жидкого метал-
та внутрь образующихся раковин, но и за счет увеличения усадки на-
ружных размеров отливки под влиянием внешнего давления.
В практике производства чугунных отливок известны факты, когда
ири очень плотной набивке форм или при заливке в кокиль не только
не образуется усадочной раковины, но к концу затвердевания отливки
«з нее наверх, через прибыль выжимается еще жидкий металл. Это
явление объясняется тем, что под влиянием расширении чугуне иэ за
графитизации в процессе затвердевания, «'готл уменьшается и отливкя
стремится даже расшириться. Из1за этого усадочная раковина дол-
жна была бы увеличиться, но так как стенки формы не дают возмож-
ности к расширению, то жидкий металл из внутренней зоны выжи-
мается наверх и усадочная раковина уменьшается.
д) Влияние образования затвердевшей корки на поверхности &г-
лирки- g. процессе заполнения формы. Как указывалось, при медлен-
ной заливке возможно образование корки на поверхности отливки, что
уменьшает объем усадочной раковины Ур до величины (фор-
мула (29)]:
♦
(32)
где kt — константа, связанная с константой затвердевания;
я —время заполнения формы;
1 — высота отлпвки.
Уже отмечалось, что рассматриваемое 'влияние корки будет тем
больше, чем меньше размеры отливки и скорость ее заполнения. Из
формул (29) и (32) следует также, что объем усадочной раковину
будет тем меньше, чем больше константа затвердевания. Усадочная
раковина может полностью отсутствовать в отливке, если
1*. --^-=0;
z=-
142 Литейные свойства, и первичная кристаллизация стали
Таким образом, для небольших отливок (малое /) можно рассчи-
тать такую длительность заполнения формы, которая обеспечит полное
питание отливки уже во время ее затвердевания, ликвидируя этим
усадочную раковину. Очевидно, что при заливке в металлические фор-
мы, когда величина константы затвердевания в два-три раза боль-
ше, чем при заливке в песчаные формы, соответствующее время
заполнения может быть значительно уменьшено.
3, Положение и форма усадочной раковины
а) Влияние формы, отливки и характера ее затвердевания Влия
ние усадочной раковины на качество отливок определяется не столько
ее о б ъ е м о м, имеющим, как видно нз изложенного выше, относи-
тельно небольшую величину, сколько формой и расположе-
нием раковины.
Концентрированная усадочная раковина является
п аил уч шей по форме. Нахождение же раковины толь-
ко в прибыли отливки является наилучшим по рас-
положению
Такие формы и расположение усадочной раковины получаются во
всех тех случаях, когда происходит полное питание жидким металлом
сокращающегося объема отливки и когда прибыль затвердевает пояже
отливки.
Наиболее неблагоприятным расположением усадочных раковин
является их разбросанность по всему сечению и высоте оттиакл Та-
кое расположение получается в тех случаях, когда отдельные неболь-
шие объемы отливки затвердевают самостоятельно, не имея общего
питания жидким металлом. В каждом таком объеме, является ли он
зональным или межкристаллическим, образуется самостоятельная не-
большая усадочная раковина.
Образование таких раковин, дающих часто также усадочную
рыхлость и микропоры термического центра отливки, возможно не
только в условиях недостаточного питания отливши из прибыли. Оно
может быть связано и с дендритной первичной кристаллизацией, (пре-
пятствующей течению жидкого металла (см. рис. 241
П р-И одновреме ином затвердевайи и раз л ич«ых ча-
стей отливки, а также ее сечений по горизонтам и по высоте, т. е.
при малых температурных градиентах в отливке, концентриро-
ванная усадочная раковина обычно не образуется.
При одновременном затвердевании отливки характерно образование
мелких разбросанных макро- н межкристаллитных микрораковин.
Задачей литейщике является достижение не только технически
минимального объема усадочной раковины, но и наиболее благоприят-
ной ее формы и расположения. Следует стремиться не только к по-
лучению концентрированной раковины без усадочной рыхлости, но и
к наименьшей ее высоте. Вместе с тем, даже простое изменение кон-
фигурации отливки резко влияет на высоту усадочных раковин одина-
кового объема.
Три типа простых отливок (слитка); цилиндрической формы, уши-
ряющейся книзу и кверху представлены на рис. 70. Предполагается,
что слитки охлаждаются равномерно со всех сторон, кроме верхней
части (в практике применяют обычно ряд мер для замедления охлаж-
дения верхней части отливок, прибылей с целью концентрации в них
усадочной раковины).
При равномерном охлаждении со всех сторон можно принять, что
в определенные промежутки времени zlt Z».... образуются слои затвер-
раковшш в. стальных бтЛивках.
143
девшего металла равной толщины G— В начальный период
охлаждения от zb до Zi происходит только понижение уровня жидкого
металла. В последующие периоды охлаждения продолжается опуска-
ние жидкого металла (влияние силы тяжести и отсутствие охлаждения
Рис. 70. При*еиение метода изотерм-изосолидусов я форма
усадочвой раковжны в зависимое га от формы слитка
сверху). Одновременно происходит нарастание затвердевающих слоев.
Вследствие равномерного охлаждения затвердевающие ' той распола-
гаются параллельно поверхностям охлаждения, образ ,я в верхней
своей га. гн гг. из-за усадки жидкого металла
Линия, изображенные на схеме рис. 70, являются пиниями изо-
терм— затвердевания илн пиниями иэосолидусов. Независимо от
того, чТо этя полоски приняты для упрощения одинаковой толщины,
предлагаемый метод изотерм изосолидусов вполне характеризует ход
затвердевания, форму н расположение усадочной раковины свя и
с конфигурацией отливки (см., например, рис. 71, 75, 76).
Из сравнения слитков I, II и III рис. 70 можно заключить, что
наиболее глубокое расположение усадочной раковины будет в слитке,
уширяющемся книзу (II). Слиток же, уширяющийся кверху, имеет
усадочную раковину, хорошо сконцентрированную вверху и со значи-
тельно меньшей высотой (III).
Рассмотренное расположение усадочной раковины извести о в прак-
тике производства слитков, рис. 71 1 Несмотря на идентичные условия
заливки всех трех слятков и одинаковые их размеры что обеспечивает
I Исследование (рис. 71) произведено над слитками, залитыми быстро очень
горячей бессемеровской сТалыо в песчаные формы в совместной работе с проф.
| Б, П. Селивановым I
144
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
одинаковые объемы усадочной раковины,-высота усадочной раковин»
оказалась hi —49%, Ла = 75,5% и Лз —29,0% от высоты слитков.
Рис. 71. Практическое расположение усадочной раковин/ в слит-
ках рис. 70 (с прямыми стенками, уширяюшиииса книзу и кверхи
Отсюда вытекает важный практический1 вывод: при верхней >ста-
новке прибылей сечение отливки и прибылей по вертикали
нужно делать уширяющимся кверху, чтобы добиться кон-
центрированной усадочной раковины минимальной высоты.
б) .Расчет формы усадочной раковины. Предложенный выше ме-
тод изотерм изосолидусов дает лишь качественное представление
о форме и расположении усадочных раковин. Для построения фактиче-
ской кривой контура усадочной раковины внутри отливки можно при-
менить расчет, рассматривая охлаждаемый с боковых сторон цилин-
дрический слиток высотой Н и радиусом R, рис. 72.
В слитке уже образовался за время z затвердевший слой т*лщя
ной s. В рассматриваемый элемент времени dz образуется новый слой
толщиной dx, дающий на высоте у вследствие усадки жидкого метал-
ла ступеньку dy. В виде первого приближения можно принять, что
объем усадочной раковины определяется только усадксИЬпри Чатвер
Усадочные раковины в стальных оТлиекаХ
деваинм (tp,). Эта усадка равна объему жидкого металла *x2-dy,
который компенсировал усадку затвердевшего элементарного объема
2т: х-у dx и усадку самого объема т х2 dy, т. е.
2кх - у - dx - t тхг dy S[. —- dy.
Пользуясь методом разделения переменных, можно определить
после интегрир»вания
2\, In ж • '1 — «nJ Iny-fC. (зз;
Постоянная интегрирования С определится из краевых условий,
когда при x—R будет у = Н.ч. е.
<‘=2^ - In/?—(1—еГэ) 1пА/.
При подстановке С в уравнение (33) можно получить посте соот-
ветствующих преобразований
Уравнение (34) определяет форму уса-
дочной раковины в рассматриваемом про-
стейшем случае. При этом, ести гкэ = 0,
то у— Н, т. е. при отсутствии усадки за-
твердевания в отливке лет усадочной рако-
вины. С другой стороны, чем больше в в
слитке данных размеров Н и R, тем больше
размеры раковины (ширина х и высота
h~H — у). При одинаковой величине
усадки £, чем толще отливка (больше R),
тем больше ширина усадочной раковины х.
Чем выше отливка (больше Н тем больше
глубина раковины.
Эти соображения объясняют известный
в практике факт, что удлиненные и
узкие слитки (и прибыли отли-
вок) даютглубоку ю и узкую уса-
доч >уюраковин П1 рокиеслит-
ки дают более концентрирован-
ную и широкую усадочную рако-
вину.
Расчетные данные формы усадочной раковины в круглых слитках
Л = 250 и //=1350 мм цилиндрической формы (1—tga =0, где
a—угол наклона стенок), уширяющейся книзу ^2—tga= + — j
и уширяющейся кверху | 3— tga = — приведены на рис. 73.
Наблюдается известное соответствие с приведенными выше прак-
тическими и расчетными данными по методу изотерм о форме усадоч-
ной раковины в подобных слитках. Кроме того, можно сделать вывод:
для уменьшения глубины проникания усадочной ра-
ковины необходимо угол а, т. е. угол между поиерх-
ностью охлаждения и вертикалью, устанавливать
возможно ббльшиы.
। Вывод формулы (34), аналогичный наложенному, приводит А. А- Рыжиков f46j.
10 Заказ 79. Ю. А. Нехелдаи
0
Рис. 72. Расчет формы и по-
ложения усадочной раковины
в цилиндрическом с татке,
подвергаемом охлаждению
только со стороны боковой
ловерхносга
146
Литейные свпВйтвп и первичная кристаллизация стали
Рис. 73, Расчетные форма и рас-
положение усадочной раковины
и цилиндрическом слитке (Д), уши-
ряющимся книзу {б) и кверху (в)
Из приведенного уравнения для
определения формы усадочной ра-
ковины можно также установить,
что •lew больше время заполнения
формы г и чем больше константа
затвердевания к, тем меньше отно-
сительная высота усадочной рако-
вины.
Таким образом, -медленная за-
ливка, в особенности в металличе-
ские формы (высокая А) не только
уменьшает объем усадочной рако-
вины, но уменьшает и ее относи-
тельную высоту.
Рис. 74. Закрытая усадочная
раковина с «мостами*, обра-
зовавшимися из-за охлажде-
нии верхней частг слиткЭ
в) Усадочная рыхлость, вторичные и местные усадочные раковины.
В практических условиях форма и расположение усадочной раковины
не будут точно совпадать с приведенными расчетными. В частности,
большое влияние на расхождение окажут условия охлаждения
слитка снизу и сверху. Чем интенсивнее охлаждение снизу и чем боль-
ше там константа затвердевания по сравнению с боковыми поверхно-
стями, тем меньше высота усадочной раковины. С другой стороны, чем
сильнее охлаждение сверху, тем глубже проникает усадочная раковина
в тело отливки. На рис. 74« представлен разрез слитка с верхней кор-
кой затвердевшего металла прн охлаждении сверху. Усадочная рако
вина располагается под коркой, и ее глубину еще более увеличивают
> Ич совместной рчботы г | БИ. Селивановым.
Усадочные раковины в стальник отливках
14?
образующиеся в раковине так называемые мосты». Поэтому одним
из важнейших практических мероприятий по борьбе с развитием уса-
дочных раковин в отливках является по возможности медлен-
ное охлаждение их прибыльной части.
Для определения расположения и размеров прибылей можно ис-
пользовать метод .изотерм, рис. 75.
При установленной прибыли с сечением, равным толщине шейки
валка, в массивной бочке В образуется своя обособленная усадочная
в г
Рис 75. Определение методом изотермлгаосоли.дугов
расположения вторичной /садочной раковины и необхо-
димого размера прибылей в отливке прокатного вал-
ка. Внизу представлены действительные разрезы от-
ливок
раковина (рис. 75, а). Следовательно, прибыль данных размеров не мо-
жет обеспечить надлежащее питание наиболее массивной части отлив-
ки. Для того, чтобы усадочную раковину сконцентрировать только
в прибыли (а это является основной задачей), недостаточно простое ее
уширение (рис. 75,6). В этом случае внутри отливки образуется со-
вершенно обособленная усадочная раковина,называемая вторичной.
Для полной ее ликвидации прибыль делается таких размеров, как ука-
зно на рис 75, в или, еще лучше, на рис. 75, г [371.
Положение первичной и вторичной усадочной раковины в отливке
двутаврового сечения, определяемое методом изотерм, представлено
на рис. 76. Если произвести заливку е установкой наружного холодиль-
ника по нижней полке (рис 76, в), то вследствие увеличения констан
ты затвердеваний н этом месте, положение изотерм-изосолндусов изме-
нится. Они будут на ббльшем расстоянии от поверхности отливки,
и при правитьлом выборе размеров наружного холодильника вторич-
но
148
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
ная усадочная раковина исчезнет. В отливке будет обеспечено направ-
ленное вверх затвердевание. В прибыли на верхней полке будет скон-
центрирована вся усадочная раковина. Отливка же, несмотря на нали-
чие массивной полки в нижней части, получится без усадочных раковин.
В отливке не будет ни вторичной усадочной рако-
вины, ни усадочной рыхлости, если по ее высоте уста-
навливается температурный градиент, обеспечиваю-
щий управляемое направленное затвердевание к прн-
б ы л и.
Рис. 76. Определение методом изотерм вторичной уса-
дочной ракоемны в балке двутаврового сечения, без’
холодильников и при установке наружного холодиль-
яякя- (б — фактический passes отливки а)
Вторичные и местные усадочные раковины образуются в тех
участках отливкн, которые затвердевают медленнее, чем рядом рас-
положенные, препятствующие подаче жидкого металла для питания.
Подавляющее большинство конструкций отливфк отличается за-
круглениями, переходами и сочленениями различных сечений. В этих
местах создается скопление металла, «термический у э е т», за-
твердевающий медленнее, чем рядом расположенные сечения. Для
определения алияння этих термических узлов на возможность образо-
вания местных усадочных раковин следует рекомендовать метод
«вписанных окружностей» [46 а].
При сочленении двух стенок даже одинаковой толщины (25 л.ч)
получается термический узел (35 мм) (рис. 77, а). Скорость его за-
Рнс. 77. Применение метода «вписанных окружностей для определения
скопления металла в «термическом узле» и методы уменьшения влияния
узла на образование местной усадочной раковины
твердевания значительно меньше, чем сопрягающихся стенок (разни-
ца температур при остывании достигает 2503). Термический узел
уменьшается при уменьшении толщины одной из сопрягающихся сте-
нок (рис 77, б, в) или при изменении конструкции (рис. 77, г).
Усадочные раковины в стальных отливках
149
Для практического определения объема усадочной раковины в за-
висимости от состава металла и условий заливки служат различные
пробы (конусы, шары и т. д.1)- Для определения же поражения уса-
дочными раковинами отливок, в последнее время применяется просве-
чивание их рентгеновскими или гамма-лучами. Просвечивание вскры-
Рис. 78. Вторичные уса-
дочные раковины в мест-
ном утолщении отливки,
определенные методом по-
следовательной строжки и
просвечиванием гамма-лу-
чами {справа).
вает весьма аффективно вторичные и ’местные раковины в отливках
с толщиной стенок до 150 мм (рис. 78).
Из изложенного следует, что на объем, форму и расположение
усадочных раковин в отливках влияют не только физико-химические
свойства металла, но и формы.
4. Влияние свойств металла и формы на объем, форму и расположение
усадочных раковин в отливках
I) Влияние факторов, связанных с составом и свой-
ствами металла:
а) Влияние состава стали. Все элементы, уменьшающие
теплопроводность стали или увеличивающие усадку
в жидком состоянии и при затвердевании увеличива-
ют объем усадочной раковины. Все элементы, увели-
чивающие интервал затвердевания и вызывающие
дендритную кристаллизацию, затрудняют условия
получения концентрированной усадочной раковины
и способствуют развитию усадочной рыхлости и раз-
бросанных макро- и микро усадочных раковин.
Что же касается влияния элементов на усадку в твердом состоя-
нии, то, чем больше увеличивается эта усадка, тем меньше уса-
дочная раковина.
б) Влияние газов. Кипящая сталь, обильно выделяющая газы
прн затвердевании, не применяется для фасонных отливок. Но влия-
ние газов, выделяющихся при затвердевании спокойной стали, прояв-
ляется в создании известного противодавления в капиллярных порах
। Рассматржаются подробно в пособии к лабораторный работам кафедры «Ля-
тейнов производство* Ленинградского политехнического института вм. 'М. И Кали-
нина. См. также «Энциклопедия машиностроения*, т. VI,
150
Чигейпые свойства и первичная кристаллизация стали
и усадочных раковинах, что затрудняет питание их жидким металлом
I азы, искусственно вводимые извне в прибыль для создания в ней
повышенного давления на жидкий металл, способствуют получению
более плотных отливок, без мнкрораковин (см. стр. 465).
в) Влияние температуры заливки и жидкотекучести рассматри-
вается совместно вследствие их известной взаимосвязи.
Чем выше температура заливки, тем больше усадочная раковина.
Однако прн этом повышается жидкотекучесть металла и усадочная
раковина может получиться более концентрированной. Исследования
ползали, что влияние жидкотекучести имеет место только при резком
ее повышении» связанном с изменением состава и условии кристалли-
зации стали. Для обычной же углеродистой стали при повышении тем-
пературы заливки даже с 1530 до 1720° усадочная рыхлость в плите
толщиной 25 мм не уменьшилась, а увеличилась (до 240 вместо 200 мм
при высоте плиты 300 мм [47|)_ Следовательно температура за-
ливки влияет на объем раковины более интенсивно,
чем жидкотекучесть ла форму раковины.
Вместе с тем, прн чрезмерно низкой температуре заливки отливок,
конфигурация которых позволяет обеспечить направленное затвердева-
ние, ликвидирующее усадочную рыхлость, возможно появление разбро-
санных усадочных раковин.
Для таких отливок, а также при заливке сверху, высокая темпе-
ратура металла, вызывающая более резкий температурный градиент,
только способствует образованию концентрированной усадочной ра-
ковины и поэтомг может быть иногда рекомендована.
Это сложное влияние температуры металла было вскрыто впервые
замечательной работой А. С. Лаврова в 1866 г., отметившим что, чем
выше температура стали (над точкою ее плавления), тем больше удель-
ный вес стали в плотной части слитка, — но больше концентрированная
усадочная раковина При низкой же температуре, близкой к темпера-
туре плавления, раковина меньше, но «зато вся остальная масса бол-
ванки переполнена большим количествам газовых пузырей (п мелких
усадочных раковин, пор, [Ю. Н]), задержанных в металле при быстром
его остывании*.
Таким образом, оценивая совместное влияние температуры залив-
ки и жидкотекучести, следует заключить: повышение жидкоте-
кучести, связанное с изменением состава и уменьше-
нием размера дендритов, способствует ’получению
концентрированной усадочной раковины; повышение
температуры заливки увеличивает объем усадочной
раковины и рых.Юстн и только в некоторых случаях, по сравне-
нию с чрезмерно низкими температурами заливки, способно дать более
концентрированною усадочную раковину (в отливках, имеющих ярко
выраженное направленное затвердевание или заливаемых сверху)
2) Влияние формы
а) Влияние подвода металла и скорости заполнения формы.
Метод подвода металла (сифоном, сверху или комбинирои
панно) и скорость заполнения формы влияют на .рас-
пределение температур по сечению и по высоте отливки и, следова-
тельно, на объем, форму и расположение усадочной раковины.
Из теории образования усадочной раковины следует, что для лик-
видации крупной раковины необходимо иметь минимальные темпера-
турные градиенты по сечению и между различными частями отливки
(одновременное затвердевание). Для ивилучшей же концентрации рако-
вины, ликвидации метких разбросанных усадочных раковин и усадочной
оицеитраини рако-
<овин и усадочной
Рис 79, Влияние залижи сифоном, сверху и комбинированно яз температурные градиенты при последовательном затвердевании ци-
линдрической отливки с верхними и нижними прибылями. Заштрихована толщина слоя формовочной смеси, разогревающегося до высо-
ких температур проходящим количеством металла,
152
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
рыхлости, образующихся при одновременном затвердевании, необходимо
иметь температурные градиенты по сечению н высоте отливки. Они
должны обеспечить постепенное затвердевание по направлению к наи-
более медленно охлаждающейся части отливки — ее прибыли (управ-
ляемое направленное затвердевание).
Полностью обеспечить одновременное затвердевание всех частей
отливки практически трудно. Можно приблизиться к осуществлению
этого принципа при изготовлении отливок с относительно равномерны-
ми и небольшими толщинами стенок. В этих случаях отливки часто
заливаются без прибылей или с небольшими прибылями, играющими
преимущественно роль выпоров.
Для таких отливок подвод металла должен быть рассредото-
ченным (через несколько питателей) в разъем формы (по горизонта-
ли) или сифоном. Заливка сифоном дает более равномерное распреде-
ление температур, чем заливка сверху, рис. 79, 7, 2.
Если отливка имеет стенки различной толщины,
подводить металл нужно в тонкую часть, наиболее
Для большинства отливок,
имеющих значительную разницу
в сечениях и требующих обеспе-
чения плотного строения, подвод
металла должен способствовать
осуществлению условий управля-
емого направленного в сторону
прибыли затвердевания. В этих
случаях следует стремиться
1 расположении прибылей в верх-
кзрлиВка сифоном |ieg части отлнвки наиболее це-
Форма саигпкоЗ по схеме
Рис. 80. Глубина поражении от-
ливки усадочной раковиной в за-
висимости от формы изложниц
и температуры заливки (слитки из
стеарина)
лесообразной оказывается залив-
ка уже не сифоном, а сверху.
Из рис. 79 усматривается яр-
ко выраженное направленное за-
твердевание в сторону прибыли
при заливке сверху, более рез-
кий температурный градиент по
сечению и высоте отливки н разогревающее влияние литника. В ре-
зультате получается более высокое, более благоприятное -расположе-
ние усадочной раковины, чем при заливке сифоном.
Даже в отливках, имеющих наиболее неблагоприятную форму
уширяющегося книзу конуса, заливка сверху улучшает положение уса-
дочной раковины и уменьшает поражение ею отливки, несмотря на
применяемый высокий перегрев, рис. 80 [48].
Усадочные раковины в стальных отливках
153
Чтобы улучшить температурный градиент по высоте отливки
и обеспечить поступление в верхнюю прибыль более горячего металла,
часто применяют комбинированную заливку — основной сифонный
питатель с дополнительным «этажным» питанием в прибыль,
рис. 79, 3 и 81 [49|.
Получается положительный, направленный в сторону прибыли, тем-
пературный градиент при заливке сверху (кривая 1) и отрицательный
при заливке сифоном (кривые 2 и 3). Комбинированный метод заливки
дает промежуточное значение, которое в данном случае не обеспечи-
вает вполне направленное jb сторону прибыли затвердевание (кривая 4).
Рис. 81. Температурные градиенты по высоте
отливки Н = 725 леч п момент конца за-ллнении
песчаной формы углеродистой ста-шк>:
Рис. 82. Сифонная за-
пивка через «много-
этажные» питатели
с закрытыми «потай-
ными» прибылями
1 u 1 - быстр! и
4 — комбгннриоинио
медли ин*.
Его можно было бы обеспечить «многоэтажной» сифонной литниковой
системой с несколькими закрытыми, так называемыми «потайными»
прибылями, установленными на различных уровнях по высоте отливки,
рис. 82.
Уменьшение скорости заливки увеличивает температурный гради-
ент по высО|С отливки и этим способствует получению более концент-
рированной раковины и тучшему питанию при заливке сверху. При
заливке же сифоном получаемый более резкий отри цате тьный темпе-
ратурный градиент по -высоте отливки (рис. 8], кривые 2 и 3) и соот-
ветствующий разогрев формовочной смеси (рис. 79, /) способствует
более глубокому расположению усадочной раковины, более глубокому
поражению ею отливки. Для уменьшения этого неблагоприятного тем-
пературного градиента и приближения к условиям одновременного за-
твердевания ио высоте сравнительно тонкостенных отливок, можно их
заливку сифоном производить быстро.
Однако всегда необходимо учитывать влияние образующейся
корки твердого металла и того питания, которое она получает от по-
ступающего жидкого металла уже во время медленного заполнения
формы. Поэтому и при заливке сифоном влияние очень талой скоро-
сти заполнения может быть настолько велпко» что глубина усадочной
раковины получится даже меньшей, чем при быстрой заливке сверху,
рис. 83.
С л е д о в а т е л ь н о м е н ь ш а я I л у б и л а у с а д о ч н о й р а к о-
вииы в отли-вках, залитых сверху, по сравнению с за-
литыми сифоном получается только ® условиях оди-
наковых скоростей заполнения формы. При очень мед-
ленной заливке сверху, когда поступление металла происходит по мере
154
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
затвердевания отлнвки, усадочной раковины не будет даже при отсут-
ствии прибыли
Таким образом, оценивая совместное влияние температуры и ско-
рости заливки на объем и форму усадочной раковины, можно заклю-
чить, Ч1О:
а) для отливок, подвергаемых одновременному затвер-
деванию или заливаемых сифоном с верхней прибылью, во многих
Рис. 83. Усадочные раковины в слитках весом 750 кг из
углеродистой стали, залитых быстро сверху (47 сек., слева)
и медленно сифоном (4 мни., справа)
случаях полезно сочетание низкой температуры с высокой
скоростью *з аз ивки;
б) для отливок, подвергаемых управляемому п а п р а вл е н wo-
му затвердеванию или заливаемых сверху, во многих случая<
полезно сочетание высокой температуры с низкой скоро-
стью заливки.
Ниже рассматриваются другие условия получения здоровых отли-
вок, ограничивающие пределы этих температур ц скорости заливки
форм для стального литья.
Усадочные раковины в стальных отливках
б) Влияние конструкции отливки. Конструкция отливин оказывает
во многих случаях решающее влияние на объем, форму и расположе-
ние усадочных раковин. Конструкция отливок должна отвечать какому-
либо из двух принципов получения здорового изделия: либо одно-
временному, либо направленному затвердеванию.
Равномерная толщи-
на стенок отливок яв-
ляется основным усло-
вием правильной конст-
рукции, обеспечиваю-
щей одновременность
затвердевания. Пример
подобной конструкции представ-
лен на рис. 84.
Но даже в таких отливках с
одинаковой толщиной стенок
возможны в местах сочленений
термические узлы. Для ликвида-
ции местных усадочных раковин
необходимо произвести соответ-
Рис. 85. Местные усадочные раковины и неко-
торые методы их устранения в L , Т-, V-, Y- и
Х-образных сочленениях (термических узлах)
отливки с раиоыериыми толщинами «Тонок
ствующее изменение
конструкции узлов, «поль-
зуясь методом вписан-
ных окружностей (см.
рис. 77). Некоторые при-
меры подобных термиче-
ских узлов н способов их
ликвидации в наиболее
часто встречающихся в
практике сочленений I-
н Т-образных (Z=90°X
V- и Y-образных (Z = 45
л 60°) и Х-образных
(Z = 90 и 180°) пред-
став пены на рис. 85.
Необходимо отме-
тить, что при одном и
том же скоплении метал-
ла- в >ермическом узле,
определяемом диаметром
вписанной окружности О,
величина местной усадоч-
ной раковины Г будет
наибольшей в Т- и Х-об-
разном сочленениях. В
них по сравнению с дру-
гими сочленениями наи-
более резко проявляется
влияние не только «тер-
мического узла», но и
«теплого угла» Поэтому
для данных сочленений
следует применять осо-
бые меоы предосторож-
ности.
156
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Уже из экспериментальных данных рис. 67 видно, что во внутрен-
них углах отливки, из-за замедленной теплоотдачи, происходит более
медленное образование корки затвердевшего металла, чем в наружных
углах.
Формовочная смесь в углу двух перпендикулярных стенок быстро
прогревается и ее охлаждающее влияние уже не соответствует выше-
приведенному правилу о том, что активно охлаждает отливку двойная
толщина слоя смесн (стр. 44). Расчеты и эксперименты показывают,
что во внутреннем углу констан-
та затвердевания может быть в
два раза меньше, чем по стен-
кам, а время затвердевания ме-
талла в «теплом у г ту» -в четы-
ре-<пять раз больше?, чем в стен-
ке. Расчетные и фактические изо-
солидусы показывают ход за-
твердевания во внутренних и на-
ружных углах отливки, рис. 86.
В связи с этим, сочтенения
90 и 45° делают иногда с пережи-
мом по типу рис. 87, что умень-
шает дефекты отливки из-за
вредного влияния «теплого угла».
Таким образом, роль конст-
рукции отливки по обеспечению
условий одновременного затвер-
девания весьма велика. Но рсобо
важна роль конструкции в обес-
печении принципа управляемого
направленного затвердевании
Такие отливки должны иметь не-
равномерную толщину стенок
или форма должна состоять из
материалов с различной температуропроводностью, обеспечивающих
постепенное увеличение времени затвердевания сечеинй отливки по па-
пранлению к прибыли.
Расчетные
расчетной; ..... ».«
изосалидусЫ t-fii I ill
—— -441 •!?
Жидкий
\ Песчаная форма
фактические
изссолиОуеа
L
3 Расчетные
J изоссл .дусЫ
Положение изосолидусов
ви утренник углах
пункпуюм — расчетное.
Рис 86.
в наружных и
ОТЛИВКИ: Z;i .. I .___.
сплошным—фактическое по рнс. 67
На рис. 88 представлены два варианта конструкции подвески котла.
При равномерной толщине стенок отливки в 90 мм. в месте сочленения
стенки подвески с приливами получается термический узел диаметром
143 мм (рис. слева). Вследствие этого, несмотря на установленную
прибыль, в узлах будут крупные местные усадочные раковкны. Для
Осадочные раКоЛины в стальных отливках
157
обеспечения направленного к прибыли затвердевания необходимо пока-
тить вписанную окружность диаметром 143 мм к верхнему сочлене-
нию, определить там узел диаметром 185 мм и выкатить его в при-
быль толщиною более 185 мм.
Очевидно, что такая конструкция во многих случаях будет весьма
невкономичной, требуя излишнего расхода металла и большой меха-
Рис 88 Дла варианта конструкции подвески котла: с л е s а — управляемое цалрэв-
ленное затвердеете; справа— одновременное затвердевание
пической обработки. Изменение конструкции подвески по типу рис. 88,
справа, для приближения к условиям одновременного затвердевания,
ликвидирует излишнюю обрабо#ку. Однако при этой конструкции, пе-
Талщша етвнки.лгм
Рнс. 89. Влияние толщины стенок плит высотой
300 мм на усадочную рыхлость (углеродистая
сталь—песчаная форма). Отливки заливались
с прибылями (плотный металл заштрихован)
смотря на отсутствие крупных местных усадочных раковин в узлах,
все же нельзя избежать осевой усадочной рыхлости в отливке. Если бы
отливка была неответственного назначения, эту усадочную рыхлость
можно было бы допустить. 6 данной отливке необходимо обеспечить
плотное строение, так как на нескольких таких подвесках держится
мощный паровой когел. Поэтому в практике автора пришлось принять
к заливке конструкцию подвески рис. 88, слева
Изучение структур в области усадочной рыхлости показывает, что
158
Литейные свойства и кервиЧнаЛ криСталлижция Мали
она яаляется сеткой иустот
дендритов стали. Получаются
ты вследствие недостаточного
отливки.
Специальные исследования с помощью- просвечивания отливок [471
установили, что наибольшая усадочная рыхлость получается в отлив-
ках с равной толщиной стенок, причем по мере увеличения толщины
стенок рыхлость уменьшается, рис. 89.
Объясняется это тем, что с увеличением толщины сменок отливки
получается более резкий температурный градиент по сечению, способ-
ствующий образованию кон-
Bbrtomt плиты, мм
Рис. 90- Влияние различной высоты плиты
с равной толщиной мм на усадочную
рыхлость (углеродистая«таль, песчаная фор-
ма) (п чотИЧЙ метал т-^ачернен)
подвергаемых давленню изнутри Тде^дли турбин, паропроводов ит. п.)
Во многих изделиях, в особенности работающих на изёиб (одна сторо-
на растянута, другая сжата) ц осевых волокнах господствуют мини-
мальные напряжения и осе-
вая усадочная рыхлость
приносит мало вР*Да.
Но во всех случаях
нужно иметь в виду,
только направлен-
ное затвердевание
способно ликвиди-
ровать усадочную
рыхлость, вследствие
чего соответствующие кон-
струкции отливок должны
иметь не равную- толщину
стенок, а меняющуюся,
рис 91
Представленные на
рис. 91 результаты исследо-
вания показывают, что уса-
дочная рыхлость практиче-
ски ликвидируется при ко-
вокруг мельчайших кристалликов—*
многочисленные кристаллические мос
питания металлом центральных зон
центрированной усадочной
раковины. Поэтому при за-
ливке в кокйтьную форму
получается более плотное
отроение отливки в отноше-
нии усадочной рыхлости,
чем при заливке в песчаную
форму, при прочих равных
условиях. Чем выше отлив-
ка с равными толщинами
стенок, тем относительно
глубже проникает усадоч-
ная рыхлость (см. стр- 145).
Увеличенный напор металла
не .может предотвратить
этот органический порок
стали в отливках подобной
конфигурации, рис. 90.
Усадочная рыхлость,
расположенная в осевой ча-
сти опивки, недопустима
только в очень ответствен-
ных отливках, в частности.
рне. 81. Влияние переменной толщины стеиок
отливки (напусков к пикте толщиной 25 мм
и нысотой 300 мм} на усадочную рыхлость
Усадочные раковины в Мольных оглияЯаХ
1S9
нусном сечении 25/75 мм при высоте отливки 300 мм. Это означает,
что для получения отливки плиты толщиной 25 мм без усадочной рых-
лости, следовало бы дать на 300 мм высоты большой клиновидный при-
пуск на механическую обработку (от нуля внизу до 50 мм вверху)
Для уменьшения напуска (по весу примерно в три раза) не чесо-
образно применить форму сечения № 6 рис. 91, причем с увеличением
высоты отливки сверх 300 мм дальнейший иапуск для сечения любой
конфигурации увеличивается весьма незначительно
При учете этого важного для практики факта, объясняемого мень-
шим охлаждающим влиянием торцов при высокой отливке, необходимо
все же иметь в виду, что вели-
чина напуска зависит так-
же от метода заливки.- си-
фоном или сверху В рас-
сматриваемых условиях для ликви-
дации осевой рыхлости в плите вы-
сотой 300 мм необходим был на-
пуск 75 мм при заливке сифоном и
60 мм при заливке сверху. Приве-
денные данные об абсолютной вс
личине напусков могут рассматри-
ваться лишь как первое приближ*
ние. подлежащее корректировке в
зависимости от метода заливки и
конструкции отливки.
Из изложенного следует, что
наиболее плотней и с на и
лучшими свойствами яв-
ляется та ч а<• т ь отливки,
которая при направлен
ном затвердевании вверх
расположена внизу. Поэт
му в практике наиболее ответствс
ные части отливки обычно по\
щаК>т в нижних горизонтах формы.
Лишь при больших напусках и пол-
ностью обеспеченном направленном
затвер'деванйи разница в плотности
по высоте отливок уменьшается, рис.
Рис- 92. Удельный вее углеродистой
стали в нижней {Н}. еремей (С)
и верхней (В) части отливок, инею
тих различные условия направлен-
ного затвердевания (высота от.тинкн
300 мм)
92.
5. Меры борьбы с усадочными раковинами в отливках
Практические меры борьбы с усадочными раковинами в отливках
основываются на изложенных выше общих теоретических положениях.
Эти меры, в применении к конкретным условиям практики, рассматри-
ваются подробно в гл. XIV Здесь же предполагается рассмотреть
только те принципиальные меры, которые непосредственно связаны
с изучаемой в данной главе теорией образования усадочной раковины.
Из этой теории следует, что мероприятия по борьбе с vсадочными
раковинами в отливках могут быть предприняты в направлении свойств
металла и формы.
Конкретные меры по изменению состава стали обычно не прини-
маются, так как выбор состава определяется главным образом требо-
ваниями к прочности или к другим свойствам отливки. Поэтому влия-
ние металла ограничивается по существу температурой его разчивки,
что достаточно подробно уже рассмотрено.
Основные мероприятия направляются по линии технологии формы
160
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
и условий ее заливки. Они применяются н зависимости от требуемых
условий обеспечения одновременного или направленного затвердевания.
Сочетание условий правильного подвода метал-
ла с правильной установкой прибылей н холодильни-
ков является основным мероприятием борьбы с уса-
дочными раковинами в отливках.
а) Установка прибылей и подвод металла. Общее назначение при-
былей в стальных отливках сводится не только к питанию жидким
металлом образующихся в отливка.х усадочных раковин, но и к впи-
тыванию всплывающих из отливки ликватов, газовых и неметалличе-
ских включений. Полностью эту роль прибыль может выполнить, если
она расположена на самых массивных и верхних частях отливки, за-
твердевающих последними. В этом случае определение места, распо-
ложения и размеров прибыли должно отвечать условиям. кратко сфор-
мулированным уже давно двумя афоризмами В Е. Грум-Гржимай-
ло [44|-_
«I) часть вышележащая является прибылью для части нижеле-
жащей;
2) прибыль должна стынуть последней».
Если конструкция отливки такова, что нышерасположенные части
не могут обеспечить питания нижележащих, то по высоте отливки уста-
навливается несколько потайных прибылей (см. рис. 82); в отливке
получается несколько потоков направленного затвердевания.
Однако для многих случаев практики, в особенности для тонко-
стенных отливок, назначение прибыли, как резервуара для впитывания
различных включений, имеет подчиненное значение. Вместе с тем по
ряду условий получения здоровых отливок, свободных от газовых и не-
металлических включений илл для последующего легкого отделения
прибыли от отлнвки необходимо применить заливку сифоном. В этих
случаях можно прибыль установить уже не на верхних горизонтах от-
ливки, а внизу с использованием внешнего 1азового или атмосферного
давления для под/ьема ^металла из прибыли в отливку. При этом металл
подается в отливку непосредственно через прибыль, чем создаются
иаилучшие условия направленного вниз в сторону прибыли затверде-
вания.
Идея «использования атмосферного давления для прибылен отливок
заключается в том, что когда жидкая сталь (уд. вес около 6,9) нахо-
дится под давлением атмосферного воздуха, то она сможет подняться
760-13,6 1Г,„
на высоту — ~ *’00 мм, есчи нет противодавления (идея ртут-
ного барометра, в котором ртуть, имеющая уд. вес 13,6, поднимается
под атмосферным давлением на высоту около 760 мм). Как усматри-
вается из схемы рис. 93 [39] потайная прибыль и отливка в момент
конца заполнения находятся каждая под влиянием атмосферного давле-
ния и соответствующего металлостатического напора (рис. 93. а). В мо-
мент образования тонкой затвердевшей корочки в отливке и прибыл»
воздействие атмосферного давления непосредственно на жидкий металл
прекращается (рис. 93,6).
При полном затвердевании отливки и прибыли в каждой образует-
ся своя самостоятельная усадочная раковина, так как потайная при-
быль могла напитать только нижнюю часть отливки соответственно
закону сообщающихся сосудов (рис. 93, в).
Иная картина получится в том случае, когда жидкий металл
в прибыли во все время затвердевания будет подвергнут влиянию атмо-
сферного давления через песчаный газопроницаемый стерженек.
Усадочные раковины в стальных отливках
161
а жидкий металл в отливке с момента образования тонкой наружной
корки будет разобщен от атмосферы (рис. 93, г). Тогда, вследствие
сокращения объема металла при1 его затвердевании, в отливке будет
образовываться пустота (усадочная раковина — частичный вакуум).
Жидкий же металл из прибыли под влиянием атмосферного давления
(воздуха) будет выжиматься в эту пустоту, заполняя ее. Фактический
напор, под которым жидкий металл из прибыли поднимается в от-
ливку, равен (1 Л - ?), где 1 —атмосферное давление, а Л ; —
противодействующий металлостатнческий напор внутри отливки
(Л — высота отливки над верхним уровнем прибыли, т — уд. вес ме-
талла) .
Рис. 93. Невы® метод прирезки литников в потайную
прибыль и использование атмосферного давления для
обеспече • »я питания этой прибылью отливки, имеющей
большую высоту, чем прибыль
В потайной прибыли, несмотря на ее более низкий уровень распо-
ложения по сравнению с отливкой, образуется нормальная усадочная
раковина, — отливка же получится плотной (рис. 93, д).
Идею питания фасонных отливок через низкорасположенные при-
были впервые выдвинул и осуществил акад. А. А. Бочвар, используя
повышенное давление в автоклавах прн заливке алюминиевых спла-
вов в формы [31].
В последнее время вместо газопроницаемых стерженьков приме-
няют установку в прибыли специальных газотворных стерженьков.
Эффективность их действия из-за получающегося давления газов на
жидкий металл прибыли уподобляется и даже превышает внешнее тав-
1ение (подробнее в гл. XIV).
Очевидно, что все эти методы могут успешно применяться только
в тех случаях, когда металл р прибыли и в перешейке к отливке
затвердевает медленнее» чем металл в отливке. Кроме того, в усадоч-
ной раковине, образующейся в отливке, не должно получаться повы-
шенного противодавления от выделяющихся в раковину газов из
затвердевающего металла.
162 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Атмосферное давление должно быть использовано и в верхних
открытых прибылях опивок для повышения эффективности их1 дей-
ствия.
Тогда фактический напор, под которым жидкий металл будет пы-
тать любое сечение отливки на высоте h от верхнего уровни прибыли,
увеличится уже до (1 +й 7).
Таким образом, питание отливки из верхней прибыли под
атмосферным давлением лучше, чем нз нижней Нмж-
пяя прибыль с использованием атмосферного давления дает более
плотную отливку, с меньшим развитием усадочной рыхлости, только
по сравнению с простым сифонным заполнением и верх-
ним питанием.
Этому повышению качества отливки способствует прежде всего
благоприятный направленный книзу температурный градиент по вы-
соте отливки Он получается не только вследствие сифонного посту-
пления металла, но и из-за сильного
разогрева формовочной смеси,
уменьшающего константу затвер-
девания, рис. 79, 4.
Соблюдение принципа управля-
емого направленного затвердева-
Рис. 94. / — отливка коробки в горизон-
тальном положении комбинированными пи-
тателями; 2— заливка под у г том 15°
комбинированными питатетямн через ниж-
нюю и верхнюю прибыль; 3 — положение
отливки под углом 15° после частичного
переворота для питания:
А — стояч! В, О — питатели- D — верхш»
пвдОиль; Е — прибыль
Рис. 95. Заливка цилиндра сифоном
через прибыль с последующим пе-
реворотом отливки па 180° для
обеспечения управляемого направ-
ленного затвердевании
пия прн заливке по схеме рис. 79, 4 требует, чтобы сначала затвер-
дел литниковый ход от стояка к потайной прибыли; затем отливка от
верхних своих горизонтов постепенно вниз и, наконец, питатель-
перешеек от потайной прибыли к отливке и сама прибыль. Очевидно,
что для достижения такой последовательности затвердевания необхо-
димо добиться значительного разогрева формовочной сме-
си у питателя-перешейка. Поэтому, если высота отливки мала (на-
пример, отливка рис. 79 заливается в горизонтальном положении, рис
79, 5), то сифонное заполнение следует вести по схеме рис. 79, 6
Получается прибыль с «напуском», могущая быть названной «род-
ливной» прибылью.
Не всегда имеются благоприятные условия для установки нижних
потайных прибылей с использованием атмосферного или газового дав-
ления. Тогда наилуч'шим методом заливки, сочетающим преимущество
сифонного заполнения с управляемым направленным затвердеванием,
является заливка сифоном через прибыль с последую-
Усадочные раковины е сгальных отливках
1Ьо
щим полным переворотом формы на 180' или частич-
ным и а 15—20°. Этот метод, известный уже давно для слитков [50]
пробовали также применять для фасонных отливок |различиой конфигу-
рации [49].
Схема заливки коробки с комбинированным подводом металла,
не предохраняющим, однако, оттивку от образования вторичной уса-
дочной раковины из-за разогревающего влияния питателя, представ-
лена на рис. 94 1491. - m г.. . — _
Схема заливки пчляндра сифоном через прибыль с последующим
переворотом формы на 180'' представлена на рис. 95 [49]
Переворачивание отливки необходимо производить сразу после
заливки формы В силу технических неудобств производства этой опе-
рации заливка с переворотом не получила широкого распространения.
6) Применение местных холодильников. Одновременное* илн
направленное затвердевание можно осуществить применением мест-
ных холодильников. Они имеют широкое распространение
в производстве стального литья, так как одновременно улучшают пер-
вичную кристаллизацию стали, уменьшают размер прибылей и опас-
ность образования трещин в отливках.
ЯЕ дай
Рис 96. Раваичиые типы внутренних холодильников
Местные холодильники могут быть внутренними или на-
ружными. Внутренние холодильники устанавливаются в полости
формы перед сушкой или за гибкой и должны быть рассчитаны на то,
чтобы полностью расплавиться. При этом отнимается от жидкого
металла в данном сечении соответствующее количество тепла, обра-
зуется известное количество жидкого металла из самих холодильников
и в результате ликвидируется местная усадочная раковина.
Наружные холодильники влияют только па ускорение охлаждения
того места отливки, против которого они расположены. Таким обра-
зом, наружные холодильники влияют своей высокой теплопроводностью
и теплоемкостью, и интенсивность влияния определяется их массой
н поверхностью соприкосновения.
Очевидно, что эффективность действия внутренних
холодильников значительнее, чем наружных.
Внутренние холодильники должны быть из металла по составу по
возможности ближе к заливаемому (если специальная, сталь) пли, как
№
Литейные свойства й первичная кристаллизация стали
показали специачьные исследования нз мягкой углеродистой стали
(~0,10% С).
Такие холодильники легче расплавляются при заливке сталью
г более высоким содержанием углерода, так как происходит их наугле-
роживание и постепенное, послойное оплавление (из-за понижения тем-
пературы плавления).
Рис 97. Универсальный «утренний холодильник в различных своих
формах соответственно условиям применения
Рис. 98. Внутренний холодильник в виде специальной литой <корзяны» в массив-
ной втулке гребного ванта из углеродистой стати (справа вид холодильника)
Различные конструкции применяемых внутренних холодильников
представлены на рис. 96, а на рис. 97 — так называемый «универсаль-
ный холодильник». В то время как холодильники рис. 96 (шпильки, спи-
рали и т. п.) устанавливаются обычно только*в местные термические
узлы отливки,—-универсальный холодильник, состоящий из четырех
тонких брусков, связанных несколькими передвигающимися шайбами,
может принимать любую форму и влиять не только на термически!
узел [51].
Для крупных отливок внутренние холодильники изготовляются
в виде специальных длинных брусков или даже литых --«корзин»
(рис. 98). Такие холодильники устанавливаются обычно вокруг стерж-
ней, и их дополнительная роль заключается в том. чтобы вызвать
быстрое затвердевание стали у стержня. Этим уменьшится пригар
стержневой смеси, неизбежный при сжимающем воздействии массивной
отливки на стержень, что облегчит трудоемкие работы по очистке вну
трепних полостей отливки.
Ориентировочный расчет веса внутренних холодильников спреде
ляется из условий полного расплавления их для требуемого
понижения температуры металла.
Усадочные раковины в стальных отливках
165
Такой расчет показывает, что при необходимости понизить темпе-
ратуру жидкой стали, например, на 100° требуется около 7% холодиль-
ников от веса соответствующей части отливки. По ряду эксперимен-
тальных данных можно рекомендовать применять вес тонких холо-
дильников в 2—5%.
Рис. 99 Полная (слева) и неполная (справа) свариваемость внутреннего холодиль-
ника с основным металлом (углеродистая сталь)
Несмотря на то, что влияние внутренних холодильников более
эффективно, чем наружных, применение их более ограни-
чено. Объясняется это тем, что точно рассчитать оптимальный вес
внутренних холодильников нельзя Если их вес окажется меньше опти-
мума, то эффект влияния будет неполным и в отливке местная уса-
дочная раковина не ликвидируется. Если их вес окажется бблыпнм,
будет неполное расплавление холодильника и часто даже неполное
сваривание с основным металлом, что ослабит соответствующее сече-
ние или даст трещину в отливке (рис. 99 по данным А. Д. Попова [52]
и рис. 102 [40].
Поэтому для отливок, работающих под давлением внутренней сре-
ды (турбины и т п.), применения внутренних холодильников вообще
избегают. Кроме того, большим недостатком внутренних холодильников
является необходимость их тщательной очистки или специальных
покрытий для предохранения от коррозии (лужение, шоопирование
и т. п.). В противном случае отчивка будет поражена газовыми ракови-
нами из-за реакций между окислами на поверхности холодильника
и углеродом металла.
Внутренние холодильника, которые должны иметь по возможно-
сти бблыдее Отношение поверхности к объему для облегчения распла-
вления, рекомендуется устанавливать в различных приливах, шайбах
и тому подобных местных утолщениях, подлежащих рассверловке при
механической обработке. Если такой холодильник имеет достаточно
малые размеры, чтобы обеспечить необходимый припуск на обра-
ботку, то в рассверленной дыре дефектов (усадочных или газовых
раковин) не обнаружится. Такой холодильник обычно не расплав-
ляется, а удаляется в стружку при сверлении дыры.
Наружные холодильники имеют большее применение, они могут
быть использованы многократно. Для качества отливки следует пра-
вильно подобрать форму, размер и места расположения их.
166
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Рис, 100. Влияние ыружиы.х холодильников на ликвидацию местных уса-
дочных равовжн в L-, Т-, V-. V- и X образных сочленениях
Усадочные раковины в стальных отливках
167
Результаты исследования применения наружных холодильников
для ликвидации усадочных раковин в термических узлах L-, Т-, V-, Y-
и Х-образных со ы снений приведены на рцс. 100. Наилучшне результаты
для L-образного сочленения дает холодильник наружный прямоуголь-
ный или расположенный со стороны теплого (внутреннего) угла с охва-
том % его радиуса (рис. 100, 3). Слишком большой холодильник
(рис. 100, 2) ведет к резкому охлаждению полок и образованию уса-
дочной раковины в сочленении (прекращается питание жидким метал-
лом). Аналогично, в Т-образном сочленении холодильники не должны
слишком быстро охлаждать полку (рис. 100, 5 и б). Ликвидировать уса-
дочную раковину в Х-образном сочленении с помощью наружных холо-
дильников нельзя (рис. 100, 14—18). Поэтому нужно изменять кон-
струкцию этих сочленений путем сдвига полок (рис. 100, 19—21).
Наружные холодильники не должны образовывать острых
углов нз формовочной смеси (рис 100а)
Рис. 100а. Круглые й~Ттстр«сонечнпе наружные холодильники дающие -
дефекты ® отливке вследствве слабо* эффектавиосги и засоров отливки
включениями формовочной смеси (заштриховано):
* — холодильник милого радиус» (W мн) по сравнению с отливю! (75 мм):
Такие углы уменьшают эффективность влияния хо тодильников
и вызывают засорение отливки включениями формовочной смеси.
Поэтому правильно применять специальные лекальные холодильники
как на рис. 100, а не круглые холодильники, как на рис. 100а.
Если форма наружных холодильников определяется преимущест-
венно конфигурацией отливки (лекальные холодильники приходится
часто отливать по специальным гипсовым моделям), то размеры их
зависят от -многих условий Тонкие холодильники быстро прогревают-
ся до таких высоких температур, что охлаждающее влияние их не
отличается от песчаных стенок формы. Толстые холодильники могут
быть также мало эффективными, если они в процессе заполнения
формы разогреваются большим количеством металла пли мала поверх-
ность соприкосновения нх с отливкой, рис. 101.
Из данных рис. 101 усматривается, что в начальный период за-
твердевания (первые несколько секунд) влияние различной толщины
холодильников мало отражается на скорости затвердевання Через из-
вестный промежуток времени скорость затвердевания под влиянием
тонких холодильников такая же, как и от песчаных стенок, а излиш-
няя толщина сверх некоторой, для данных условий, критической ве-
личины — вообще мало эффективна.
При данной толщине, объеме и весе холодильника, решающее
влияние ни ускорение затвердевания оказывает поверхность со-
прикосновения иля ее «эффективный периметр», который дол-
жен составлять около *з периметра холодильника (в конкретных усло-
виях исследования рис. 101 [3J).
*68 Читейные свойства и первичная кристаллизация стали
4 Ь-З&нм
F-Z760HHe
5 L'SZmh 6 Ъ~0.5мм
F-3330мм 2 F - 3330мм*
Рис. 101. Влияние различных размеров .холодильников (сечением F) и
поверхностей соприкосновения с отливкой («эффективный периметр» L)
на затвердевание стали. Жидкая сталь из отливки 122 X 125 X 200 мм
вылита через 65 сек. после заливки. Внизу — влияние толщины холо-
дильпяха на затвердевание стали в той же отливке при поверхности
сощжкосиовения в 75 X 75 ям
Из рис. 101 видно также, что поверхность воздействия холодиль-
ника на скорость затверщевання больше его непосредственной поверх-
ности соприкосновения с отливкой. Но максимальное воздействие на
увеличение скорости затвердевания замечается во внутренней, цент-
ральной зоне поверхности соприкосновения.
Применение холодильников особо эффективно не столько для пол-
ной ликвидации местной усадочной раковины, сколько для обеспечении
управляемого направленного затвердевания, т. е совместного
действия с прибылями.
Например, при изготовлении полюсов корпуса динамо обычно уста-
навливаемая на ободе прибыль (рис. 102) не сможет предотвратить
образования вторичной усадочной раковины Она ликвидируется на-
ружным холодильником (рис. 102, 2). При еще большем размере полю-
са (выступа, рис. 102, 3) наружный холодильник уже не может ликви-
дировать усадочную раковину, так же как и внутренний малого раз-
мера (рис. 102, 4—5). Более массивный внутренний холодильник
предотвращает образование раковины, однако не вполне сваривается
и дает трещины (рнс. 102,6)
Усадочные раковины в стальных отливках >69
Рис 102. Эффективность влияния наружных и внутренних холодильников на ликви-
дацию вторичной усадочной ракоенны в отливке полюсов динамо путем обеспечения
управляемого явкравленного затвердевания
Рис 103. Применение магнезита для ускорения и направ-
ленности затвердевания стальной плиты 88 X 1500 X 2000 мм
и ход затвердевания различных частей этой отливки
Наружные холодильники1 могут быть не только 'металлическими,
в особенности, если их задачей является облегчение условий управляе-
мого направленного затвердевания. Формовочная смесь различной теп-
лопроводности (магнезит, хромистый железняк, песок, см. табл. 4),
170
Литейные свойства и первичная кристал юзсщия стали
а также смешанная с чугунной или стальной дробью щ количестве
65—80% (полуметаллический холодильник) во многих случаях оказы-
вается вполне эффективной.
Например, для борьбы с усадочной рыхлостью в отливке равной
толщины (плита) применением магнезита, имеющего теплопроводность
в 2,2 раза выше, чем у песка, можно добиться направленного к при
были затвердевший, рис. 103 [1].
Плита рис. 103, имеющая приведенную толщину в 44 дЬже
при одностороннем воздействии магнезита, затвердела в 2.5 раза бы-
стрее чем такая же плитв. залитая в песчаную форму При этот на-
правленное затвердевание характеризовалось ‘следующшЛ! данными:
низ плиты (магнезит толщиною 120 мм, рис. 103) затвердел в те-
чение 21,5 мин, средняя часть (толщина магнезита 60 мм) —в 20 миН.
верхняя часть (песчаная форма) — 40 мни. и прибыль (приведенная
толщина 85 мм)— в 120 мни.
Кроме рассмотренных «прям ы х» холодильников, непосред-
ственно соприкасающихся с металлом, некоторое ограниченное для
стального литья применение имеют «непрямые» наружные холодиль.
ники. Действие таких холодильников, закладываемых иа некотором рас-
стоянии от стенок отливок в формовочную смесь (на 15—20 мм), не
столь интенсивно, как прямых. Известная аналогия с влиянием непря-
мых холодильников может быть проведена для тех кокильных форм,
которые для смягчения скорости охлаждения отливки покрываются
толстым слоем краски.
в) Кокильная и центробежная заливка В кокильных формах
объем, форма и -расположение усадочных раковин отДичаются, конеч-
но, от песчаных. Из :рлс. 16 видно смещение усадочной раковины от оси
отливки в зону термического центра, близкую к стержню Благотворное
влияние кокильных форм на объем усадочной раковины н уменьшение
усадочной рыхлости уже отмечалось. Практические особенности уста-
новки прибылей и их расчета, подвода металла и применения холодиль-
ников в кокильных и песчаных формах рассматриваются ниже.
В отношении же центробежной залавки здесь уместно отметить
что в зависимости от соотношения между скоростью заполнения и ско-
ростью затвердевания опивки получает то или «ное. развитие лишь
усадочная рыхтость (см. рис 77).
В правильных условиях заливки плотность стали в центробежной
отливке будет больше, чем в стационарной, так как меньше хсадочная
рыхлость и мнкроусадочные раковмйы (давление жидкого металла при
заливке). Экспериментальные данные дают повышение среднего уд.
веса всей отлнвки иа 0,5. т. е. повышают его величину до удетьного
веса изделий из ковэибй стали (около 7,85).
ГЛАВА VI
ГАЗОВЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ
И МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМИ
1. Газовые включения в отливках
Газовые включения в стальных отливках являются одним из наи-
более распространенных дефектов. Особенно велики трудности борьбы
V ними в отливках из легированной стали и залитых в кокиль
В металле газы .moi^t находиться в виде: а) раковин, б) адсорби-
рованного слоя, в) раствора и г) химических соединений.
Все эти тазы могут оказывать на свойства отливок большое влия-
ние. В особенности велико влияние газовых раковин (полостей, образо-
ванных и заполненных газом), вызывающих часто непосредственное
забракование отливок в литейном цехе и при их обработке
Газовые раковины, особенно крупные и вытянутой, угловатой фор-
мы, играют роль надрезов в металле. В местах их расположения кон-
центрируются напряжения, а эффективное сечение отчнвки уменьшает-
ся. В результате подобные газовые раковины понижают свойства от-
ливки, особенно .ее пластичность, ударную вязкость и сопротивление
усталости.
Газовые раковины округленной, сферической формы менее вредны.
Такая форма Тазовых раковин указывает на образование их в боль-
шом объеме затвердевающего жидкого металла Вытянутая же форма
газовых раковни с закругленными концами указывает на образование
их вдоль поверхности растущих вглубь жидкого металла кристаллитов.
Если газы находятся в металле даже в виде раствора, они также
ухудшают пластичность металла При выделении из раствора они мо-
гут вызвать образование даже различных трещин (в том числе фло-
кенов, т. е. тонких трещин, имеющих вид бетых хлопьев).
При «выделении в. затвердевающей части отливки эти газы способ
ствуют образованию междендритной, межкристаллитной рыхлости и
пор, так как препятствуют их питанию жидким металлом.
Газовые включения в отливках могут образоваться либо вслед-
ствие выделения газов из металла (газовые раковины по вине метал-
л а), либо вследствие влияния формы и условий ее заполнения (газо-
вые раковины по вине формы).
Газовые раковины по вине металла или формы могут образоваться
независимо и самостоятельно. Наружный вид газовых раковин не всег
да дает 'возможность определить их происхождение. Только иногда,
если газовые раковины в отливке возникают одновременно с образова-
нием неметаллических включений из-за размывания стенок формы или
стержней, — внутри газовых раковин -можно найти частицы песка.
Обычно, есзи газовые раковины получаются по вине металла, то
ими поражены не только все. отливки данной плавки, но и значитель-
ная часть сечения отливки. Если же газовые раковины получаются по
вине формы, то многие отливки данной плавки могут получиться совер-
172
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
шенно здоровыми. Пораженные же отливки будут характеризоваться
местным расположением раковин облизн стенок формы.
Литейщик также должен уметь безошибочно отличать газовые рако-
вины от усадочных. Газовые раковины, вне зависимости от своего про-
исхождения, отличаются от усадочных тем, что имеют гладкую поверх-
ность, обычно неокнеленную, серебристого цвета или, редко, цветов
побежалости. Усадочные же раковины в большинстве случаев, вслед-
ствие проникания воздуха, покрываются черным налетом окислов
и, кроме того, имеют неровную поверхность из-за крупных кристаллов.
' 1Н|, I Г| f I.. Г' ► I ? 1 ' . I ' н
2. Механизм образования газовых раковин
Механизм образования газовых раковин, независимо от условий
их происхождения (по вине металла или формы), заключается в том,
что газ, выделившийся из жидкого мета’лла или попавший в него извне,
образует газовый пузырь. Этот пузырь стремится всплыть в жидком
металле Если металл имеет высокую вязкость, то пузырь застревает,
образуя в затвердевшем мета тле газовую раковину.
Следовательно, для представления о причинах возникновения газо-
вых раковин и мердх борьбы с ними необходимо рассмотреть как ус-
ловия попадания и выделения газов в металле, так и ус ловия образова-
ния и всплывания газовых пузырей в нем.
Появление газовых пузырей в жидком металле связано с возникно-
вением зародышей их и определяется давлением выделяющихся га-
зов металла (ЕРГ1Ч), зависящим от их концентрации и температуры.
Общее давление всех выделяющихся газов равно сумме парциаль-
ных давлений отдельных газов
+ Рсо -Ь-РсО.Ч- • •
Этому даалению выделяющихся газов противодействуют силы
внешнего давления (£?«. п), а именно; атмосферное давление
(jPjtm). металлостатическое давление (Ркгт) и поверхностное натяже-
ние—давление поверхностной пленки металла на пузырь (₽Пн).
'Прн применении внешнего давления под Р »т~ следует считать
не только атмосферное, но и внешнее давление. При нахождении ме-
твлла под слоем шлака под РМт следует считать суммарное гидро-
статическое давление металла и шлака.
Противодействующие силы внешнего давления будут;
| + =Р.™ + *-1+-* (35)
где й — высота, а 7 — удельный вес металла;
с — поверхностное натяжение металла;
т—радиус образующегося пузыря.
Если давление выделяющихся газов больше суммы внешних дав-
лений 5Рг.э>^Р.н-я,
то газовые пузыри образуются и стремятся всплыть. Если таких газо-
вых пузырей удаляется много, то поверхность жидкого металла бурлит,
металл «кипитэ и очищается от газов.
Если да в пение выделения газов меньше суммы внешних давле-
ний
хр < LP
*41 ВИ. Д.»
то газовый пузырь образовываться не может. Поверхность жидкого ме-
талла остается спокойной.
Тазовые включения в стальных отливках
173
Еще Д. К. Чернов в 1878 г. указел:
«- - если бы отливку стали в изложницу можно было производить иод таким
большим давлением окружающее атмосферы, которое в состоянии было бы удер-
жать газы в растворе, то не было бы и пузырей в отлитой болванке».
Следовательно, возможность образования газовых пузырей будет
тем больше, при прочих равных внешних условиях, чем больше давле-
ние выделяющихся газов, чем выше содержание газов в металле.
Выделение тазов будет также тем интенсивнее, чем больше раз»
ность давлений (~РС,3 — -^.н-»)- Поэтому в вакууме выделение га-
зов из металла особо интенсивно, а при кристаллизации под давлением
(в автоклавах, по способу А. А. Бочвара) выделение газов минимально.
Как указывалось, начальной фазой образования газовых пузырей
является возникновение их зародышей. Они должны, анвлогично заро-
дышам кристаллизации, иметь минимальный критический размер. Но
самопроизвольное образование таких зародышей в «прозрачном» жид-
ком металле, даже при температурных и концентрационных флюктуа-
циях, мало вероятно.
Работа (А) и интенсивность (/ — число в ед. времени)" образования
шаровых зародышей газового пузыря могут быть определены из изве-
стных формул физической химии и статистической физики.
, , W кр. вж-г
/=f.f ~:17г (35а)
3
где г«р -критический радиус зародыша;
-’ж.г— поверхностное натяжение системы жидкий металл —- газ;
с — коэфициент пропорциональности;
к = 1,38 10-1В — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура.
Из формулы (35а) видно, что большое поверхностное натяжение
жидкой стали вызывает весьма малую вероятность самопроизвольного
образования зародыша газового пузыря (по расчетам И. А. Андрее-
___ 4пГкр °жг
ва [53] величина экспонента е 3*7 составляет при °ж-г=ч
= 1500 дин/см всего 10 -16,2 ' 10“ ). Иная возможность образования
зародышей получается в «замутненном» металле (см. ниже, стр. 184)
Выделившийся в виде пузыря газ стремится занять максимвль-
ный объем и иметь минимальное давление. Этот пузырь в жидком
металле подвергается уравновешенному давлению со всех сторон
и всплывает вследствие разности удельных весов газа и металла. Ско-
рость всплывания пузырей в жидком металле, так же как и неметал-
лических включений, может быть определена из уравнения Стокса
(см. стр. 47). Она зависит от размера включений (квадрат радиуса)
и вязкости жидкости. Чем меньше размер включения и ниже темпера-
тура металла (больше вязкость), тем медленнее всплывает включение.
Большое значение в возможности всплывания включений имеет
динамическая вязкость жидкого металла. Она резко возрастает при
понижении температуры металла в интервале затвердевания. Одновре-
менно, при понижении температуры жидкого металла резко >величи-
вается давление выделения газов из-за уменьшения их растворимости.
Таким образом, при понижении температуры жидкого, металла
и начале его затвердевания одновременно увеличивается
как количество газовых пузырей, стремящихся
всплыть в металле, так и вязкость металла, препят-
ствующая всплыванию.
Ш Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
В результате газовые пузыри могут застревать в отливке, образуя
газовьГе раковины.
Рассмотренный механизм образования газовых раковин был. по
существу, определен еще А. С. Лавровым, отметившим, что
«. . .пузырьки газов, стремясь подняться из жидкости ... и встречая на своем
пути застывеющнй тестообразный металл, запутываются в нем .
Аналогичные рассуждения применимы и к газам, проникший
в жидкий металл извне (воздух полости формы, газы из формовочных
смесей и г. п.). Только в этом случае под ЕРГ<3 следует понимать
уже давление выделения газов не из металла, а из формы.
Чем тоньше отливка, чем больше теплопроводность формы, чем
ниже температура ее стенок и чем ниже температура жидкого метал-
ла в момент максимального давлении проникающих в него извне га-
зов,— тем легче образование газовых раковин в отливке.
А ГАЗОВЫЕ РАКОВИНЫ В ОТЛИВКАХ, ОБРАЗОВАННЫЕ
ГАЗАМИ, ВЫДЕЛЯЮЩИМИСЯ ИЗ СТАЛИ
При изучении образования газовых раковин в стальных отливка к
по вине металла можно установить, что основной 'причиной является
повышенное содержание водорода в заливаемой стали. Между
тем, в практике этому влиянию водорода не придается еще должного
значения, а в теории существуют часто противоречивые представления.
Поэтому на вопросе влияния водорода надо специально остано-
виться, тем более, что это влияние распространяется не только на обра-
зование газовых раковин, но и на горячие н холодные трещины в
стальных отливках и на механические и специальные свойства их.
I. Поглощение газов сталью
Твердые шихтовые материалы, заваливаемые в сталеплавильную
печь, иногда содержат значительное количество газов при применении
шихты многократного переплава. Во время плавки сталь способна
поглощать в большом количестве газы как из газовой атмосферы, так
и в результате реакций, происходящих в самом металле.
Расчеты показывают, что 1% ржавчины на шихтовом материале
вносит объем водорода в 20 раз больший, чем объем металла. В бессе-
меровском процессе изготовления стали через металл проходит во вре-
мя продувки объем газа в 12 000 раз больший, чем объем металла;
в мартеновском процессе —в 1300—2700 раз больший, и т. д.
В результате поглощения газов нз воздуха, нз продуктов горения,
из присаживаемых материалов н происходящих в металле реакций об-
щее поглощение О2, Nx, Н2, СО, СО^, СН4 может в несколько разшре-
выситъ соответствующий объем стали при высоких температурах.
Эти газы могут находиться в жидкой стали в состоянии;
а) механически включенных,
б) растворенных и адсорбированных,
в) в виде химических соединений с элементами стали (железом,
кремнием, марганцем и т. д), оксидов, нитридов, гидридов и др.
Механически включенные газы особого влияния на появление газо-
вых раковни r отливках не оказывают, так как по известным физиче-
ским законам легко удаляются из металла даже при небольшой вы-
держке его в ковше Наибольшее вначение имеют газы, растворимые
в жидкой стали в свободном состоянии иин в виде химических соеди-
нений.
Уже давно было определено, что (палладий при нагреве
в атмосфера Н2 может поглотить объем газа в 900 раз бблыйнй, чем
175
Газовые включения в стальных отливка?
объем металла. Процесс такого поглощения был назван окклю-
зией. Теперь для такого процесса в технике более употребительны
термины абсорбция или даже, условно, растворение. При окклюзии газ
поглощается всем объемом металла, образуя с ним твердый раствор
(фазу переменного состава) или частью вступая с ним в химическое
соединение Явлением окклюзии объясняется также (возможность про
никания некоторых газов через сплошные металлические перегородки.
Как указывает акад. П. А. Ребиндер, окклюзия, являясь частным
случаем общего явления поглощения (сорбции), подчиняется тем же
законам. Даже если нет химического соединения с металлом, газ рас-
пределяется между двумя фазами: газовой средой и объемом металла.
Такое распределение газа будет отвечать равновесию при общем
термодинамическом условии. р| = р2, где «ч— химический потенциал
в газовой среде, а «2 — газа в металле. При р, > р» газ будет погло-
щаться (абсорбироваться) металлом, а при удаляться (десорби-
роваться) из металла до достижения равновесия.
При рассмотрении поверхностного натяжения уже указывалось, что
на поверхности твердого и жидкого металла имеется слой атомов, не
полностью окруженных другими атомами металла. Эти атомы находятся
поэтому другой энергетическом состоянии, чем атомы внутри метал-
ла: они обладают свободными остаточными валентностями или силовым
полем у поверхности металла. Вследствие этого, при столкновении мо-
лекул газа с поверхностью металла получается адсорбция газа, «при-
липание» молекул к поверхвостн. Прд слабом силовом поле молекулы
не удерживаются, испаряются с поверхности. При больших поверхно-
стных Лилах вся поверхность металла может быть покрыта адсорбиро-
ванными газами.
Толщина этого слоя может не превышать толщины мономолеку-
лярной пленки.
Таким образом, процесс физической адсорбции «авн-
сит от размера н состояния поверхности абсорбента. Это
очень важно уяснить для правильного представления о процессе погло-
щения газов металлами. Они могут удерживаться на поверхности
металла только путем физической адсорбции.
Однако адсорбция имеет место не для всех газов, не для всех
металлов н протекает по-разному при различных температурах. Для
газов в стали важны процессы не столько физической, сколько
химической «активированной адсорбции» (хемосорбции),
когда молекула газа диссоциирует при адсорбции и более прочно удер-
живается не металлической поверхности. Такими газами являются
прежде всего кислород, водород, азот. Редкие благородные газы (ар-
гон, гелий и др.), не имеющие химических валентностей, не дают ак-
тивированной адсорбции ни с одним металлом.
Поглощенный поверхностью металла в процессе активированной
адсорбции диссоциированный газ способен диффундировать внутрь ме-
талла. Способностью диффундировать через кристаллическую решеткт
обладают Газы только в атомарном состоянии (малый объем атома).
Сложные газы (СО) почти не диффундируют, а простые газы, моле-
кулы которых двухатомны (Н2, О2 и Na), могут диффундировать только
после диссоциации.
Например, молекулярный водород можно хранить в стальных бал-
лонах (контейнерах) даже прн повышенных давлениях Однако атомар-
ный водород, в особенности in statu nascendi, свободно диффундирует
через толстые стенки стального сосуда. Это положение убедительно
доказано исследованием, прн котором просверлили стальную заго-
товку диам, 200 мм, вставили в один конец манометр и опустили ее
176 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
в электролит. Атомарный водород адсорбировался на наружной по-
верхности трубы и диффундировал через ее стальную стенку во внут-
реннюю полость. В ней происходила уже ассоциация атомов, т. е. обра-
зование Молекулярного водорода, для которого сталь не проницаема.
Давление внутри сверленой заготовки поднялось очень быстро до
300 ат, опыт был остановлен во'избежание взрыва. Некоторые другие
доказательства важного для практики положения о том, что газы «огут
диффундировать только в атомарном состоянии, — приводятся ниже.
На диффузию газа влияют строение металла, физическое состояние
его поверхности, температура н градиент давления и концентрации
газа по слою металла.
Так как скорость диффузии пропорциональна градиенту конпент-
рации, то при любой данной температуре и давлении она обратно
иропорциоиальна толщине слоя металла. Это положение
также важно для практики.
Экспериментально установлено, что между скоростью диффузии гам и его
давлением нет прямой пропорциональности. Это означает, что таз диффундирует
в атомарном состояния. При молекулярном состоянии я-яза между скоростью диф-
фузии я давлением, определяемым числом ударов молекул о поверхность е единицу
времени, должна была бы быть пряная оропорциоиальность.
На основе ряда исследований можно принять, что для лаяю4 температуры
между скоростью (коэфицнентоы) диффузии D и давлением газа Р существует ква-
дратичная зависимость по формуле 154].
D — k - - V
где к - константа, а п - та часть поверхности металла которая покрыта адсорби-
рованным газом При высоких давлениях и благоприятных условиях адсорбции а
приближается к едтжце и
Ояк-УТ. (36)
Такны образом, специфическая природа диффузии газов в металле объясняется
тем. что сквозь металл могут диффундировать только диссоциированные газы. При
этом диссоциация происходит преимущественно на поверхности металла при акти-
вированной адсорбции газа. Поскольку адсорбция в значительной мере регулирует
течение диффузии, постольку всякое изменение состояшв) поверхности металла,
влияющее на интенсивность адсорбции, влияет и на скорость диффузии.
С повышением температуры увеличивается скорость диффузии. Соответствующая
зависимость в первом приближении может быть установлена показательной форму-
лой
О-в-. Т (37)
где а и Q — константы 1.
Из язложегяюто вытекает, что, если в металле имеет место диффузия газа,
можно говорить о процессе его растворения Необходимо иметь в виду, что
на внешней поверхности металла газ находится v особом состоя»». Поэтому поня-
тие о растворимости газов я о предельном содержании их в металле отличается от
обычных представлений о растворимости металла в металле. Обычно считают, что
предельные коицеятрацю» соответствующих растворов устаяавжааются только в за-
висимости от температуры по диаграммам состояний. Пренебрегаете») фнжчесян» со-
стоянием растворяющегося элемента и давлением, принимаемым обычно в 1 ат. Осо-
бенность же понятия о растворимости газов в стали определяется специфическими
условиями процесса ях ктослощеиия. С точки зрения кинетики процесса, он может
рассматриваться как комплекс следующих четырех элементарных процессов:
1) атака газовыми молекулами или яг дяссоциировжжыкщ атсыаии поверхно-
сти металла:
2) диссоциации я газовых молекул на поверхиости металла (количество
газовых молекул. диссоциирующих внутри металла, незначительно),
3) адсорбция атомов газа на поверхности металла:
4) диффузия и растворение атомов газа внутря1 металла (□ виде
чистого раствора или химических соединений).
Элементарные процессы 1, 2 и 3 объединяются понятием актдачроваююй ад-
сорбции. Диффузия же является ля нити р у ю ш им з лен ом, определяющим ско-
рость рассматриваемого процесса растеорелия газов в металле
q — энергия активации, необходимая для диффузии
Газовые включения в стальных отливках
\п
Адсорбируемые на поверхности металла атомы водорода получа-
ются нз водородсодержащей газовой фазы над металлом путем дис-
социации молекулярного водорода или реакции Н2О + Fe или другой
подобной реакции взаимодействия каких-либо углеводородов с метал-
лом. Адсорбируемые на поверхности* металла атомы водорода диффун-
дируют или увлекаются какими-либо концентрационными, конвекцион-
ными или чисто механическими потоками в глубь металла. Другие
атомы из газовой фазы заменяют ушедшие на поверхности металла.
Чем больше, например, Н2О в газовой фазе, тем больше образуется
атомов водорода, тем полнее адсорбционная пленка их на поверхности
металла, тем большее количество атомов проникает в металл, тем
больше в нем скорость диффузии.
Эти процессы требуют известного времени для протекания и на-
блюдаемое поглощение возрастает с повышением температуры. Поэто-
му, чем выше температура и дольше время, тем боль-
ше водорода адсорбируется металлом до степени насыще-
ния в зависимости от данной температуры, давления и полноты адсор-
бированного атомного слоя водорода на поверхности металла.
Рассмотренное влияние температуры и времени на содержание га-
зов в металле было правильно отмечено еще А. С. Лавровым задолго
до появления специальных экспериментальных работ:
«...количество газов •бусяовлнвается продолжительностью времени сопри-
косновения жидкого металла с атмосферой газов, его температурой и, еще более,
избытком температуры металла над температурой плавления».
Для того чтобы оценить значение и глубину этого положения,
впервые высказанного в мировой литературе А. С. Лавровым, нужно
учесть, что в 1866 г. еще не умели определять содержание газов в ме-
таллах химическим путем или анализировать соответствующие явления
на основе законов физической химии.
Поскольку все элементарные процессы могут рассматряветьсж, как подготови-
тельные стадии химического взаимодействия газа и металла, то к лям применимы
термодинамические законы равновесия.
Процесс поглощения (сорбции) двухатомных газов (О«, Нг в N,) металлами
Me может быть представлен уравнением равновесия J55]
2Ме 4- 12 Щ 2Ме Г — Q, (38)
где МеГ — количество раствореввого газа Га после его диссоциации в виде химиче-
ского соединения <ИеГ.
В константе равновесия реакции (38)
(МсГ)2
(Л1е)ЦГ2)
можно принять концентрацию металла (Me)2 аа единицу и заменить концентрацию
газа Г2 его парциальным давлением Рг-a- Получится
(МеГ) — S = k . V f'x'z ,
т. е. концентрация диссопивровавиого, растворенного в метал те газа в виде хими-
ческого соединения, пропорциональна Для данной температуры квадратному корню
нз парциального давления ыолехулжрного газа над металлом
Аналогичный вывод получается при применении закона действующих масс для
определения концентрации диссоциированпого газа и в том случае, если он не об-
разует химического соединения с металлом, а находится в нем в состоянии чистого
раствора (например, водород- в железе).
НЯ^2Н’feH ; FH = feH - ]/ Рн>.
Гн.»
Квадратичная зависимость концентрации растворенного гава от его пгрцввльяо-
го давления действительна не только для твердого, но и для жидкого металла.
Она установлена была сначала не теоретически, i экспериментально, длительными
работами Сивертса. Эту зависимость йногда даже называют «законом Свверт-
са», хотя принципиально она не отличается от. прямой пропорциональной зависимо-
сти’между S и Р для раствора газов и жидкости по закону Генри S=fe-Pr2.
12 Заказ 79 Ю. А. Нехевдэи
178
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Зависимость содержания атомарного газа (водорода) в металле
от парциального давления молекулярного газа (молекулярного водо-
рода) дад металлом определяется из формулы
s^k-V^Z. (39)
а от температуры — из формулы
5 = с - е “г* -1 (40)
где с и к — константы, а £ ( — теплота растворения или соответственно
тепло образования химического соединения газа с элементами -металла.
Растворимость газов в большинстве случаев является эндотермиче-
ским процессом. Поэтому, как следует из уравнения (40) Борелнуса,
растаоримость таких газов возрастает при повышении температуры
металла.
Из уравнения (40) следует также; что, если в координатных осях отложить
LnS н f— , То енвнсимость между растворимостью и температурой должна будет
10Q00/T
Рис. 104. Влияние температуры на
растворимость водорода в металлах
(нижняя групна—образование' чис-
того раствора; верхняя—образова-
ние гидридов).
времени металл будет абсорбировать во
определяться прямой линией. Подобная за
вясимость но ряду эксперямеятальных
данных для яодорода в различных метал-
лах преимущественно в твердом их со-
стояния представлена на рис. 104 (541-
Нткния груши прямых, оокааьшаю-
щая при поеышенвн температуры увели-
чение растворимости водорода в таких
металлах, как железо, никель, медь, алю-
миний, соответствует, следовательно, э н-
Дотермкческому характеру реакций
чистого растворения. При этом, чем боль-
ше наклон прямой, тем больше (по абсо-
лютной величине) эндотермический эффект
растворения.
Верхняя группа прямых, показываю-
щая при повышении температуры умень-
шение растворимости водорода в таких
металлах, как титан, цирконий, ванадий,
соответствует уже зкзотерыическо-
М у характеру растворения.
Таким образом, между чистой рас-
творимостью водорода и растворимостью
его в некоторых металлах в мде гядск-
лов существует определенная разница,
приобретающая, как видно из рее. 104,
принципиальный характер. При «эких
Температурах (правая сторона верхней ча-
сти .рис. 104) кривая растворимости гидри-
дов горизонтальна до определенной Крита-
ческой температуры. Это означает, что аб-
сорбция не изменяется до этой температу-
ры. Если в течение достаточно длительного
ород до достижения равидаесяя, то он во-
глотит количество водорода, соответствующее стехиометрическому гоотношеявэ для
данного химического соединения (например, при давлении в 1 ат Сивертс получил
количество абсорбированного водорода, соответствующее соотношениям 7гН|Л3. TiHi,-r<>
вместо ZrHj и TiHj, VHi п вместо VH 2 и др.).
При лревышежн же критической температуры прекращается дальнейшая ад-
сорбция водорода и начинается уже диссоциация гидридов, постепенное выделение
водорода, шониженяе его содержания в металле. Критическая температура зависит
от давления молекулярного газа и от давления диссоциации гидридов. Если пржять,
В соответствии С дажыми М. М. Карнаухова, существование в стали -гидрида крем-
ния SfaHa, то при данной температуре [56]
51,^ = 251-4-На; Р,=
Р
где Р — упругость диссоциации SijHi в свободном состоянии;
Pi — упругость диссоциации SijHj в растворе стали;
Газовые включения в вталлных отливках
179
(SigH3) — данная концентрация SijHj в стали;
(SiaHgJmcnm— предельная (насыщающая) концентрация SijHs в кремния, концентра-
ция которого считается за единицу;
(Si) — данная концентрация кремния в стали.
Отсюда следует: I) что офн повышена концентрации гидрида в стали сверх
известного предела, соответствующего данной температуре, произойдет диссоциация
гидрида в выделение свободного водорода нз металла; 2) содержанте в металле
атомарного газа (напрн*ер, водорода), находящегося в состоянии чистого раствора,
ие в виде химических соединений, определяется не только соответствующими дав-
лением и температурой, во и условиями активированной адсорбция (состоянием по-
верхности металла, его строением, степенью диссоциации газовой фазы и т. л.).
Величина получаемого предельного содержания абсорбированных в металле
газов является предельной только для данных конкретных условий насыщения. Она
не может быть обобщена, км вкшчмна истинно предельной расгвориыосги данного
газа в данном металле ва какие-либо другие условия температуры и давления по
формулам (39) в (40) без точного воспроизведения ряда условий абсорбции (напри-
мер, состава газовой среды, отношеаяя объема к поверхности металла, состояния
этой поверхности, строения металла и т. п.).
Достижение предельной концентрации растворенного газа возможно только при
соответствующих благопрЕнтяых условиях как состояния поверхности металла, так
и всего процесса жигвяроваивой адсорбция (например, порошок металла вместо
прутка его, большей поверхность веркала жидкого металла). При неблагоприятных
условиях гйстивировашюй адсорбции получится незавершенный процесс насыщетия
за данный промежуток времени. Пря отсутствии активдроэанпой ад сорбция вообще
не 'Произойдет растворения двухатомных (На, N2) или сложных (СО) газов.
С другой стороны, не только скорость достижения, но в абсолютная величина
предельного содержания газа, даже при одинаковом химическом составе металла,
зависит от его строения. В твердом металле влияют размер м форма зерна, наличия
неметаллических включений, межкристаллитных пор и т. и. На поверхности вклю-
чений, пор и по границам яерен возможна ассоциация атомов газа н вообще иная
ях растворимость в искаженных кристаллических решетках. Для такого металла
предельное содержание газа может оказаться более высоким, чем дая металла
с более плотным и чистым строениям (например, в литой стали по сравнению с ко-
ваной). Аналогично, в жидком металле различная степень замутхеиии неметалличе-
скими включениями, различная ставень нарушения сплошности среды также должны
вызывать различную степень иасыщения газом.
Таким образом, предвльвое содержание растворенного газа, полученное для
определенных условий, может оказаться следствием незавершеннюго процесса насы-
щения дая металла того же состава, но иного строения и иных условий актЕВМЮ-
ванной адсорбции.
2. Выделение газов из стали и образование пузырей
Полное выделение газов, образование и всплывание пузырей имеют
большое значение для получения здоровой отливки. Газы из металла
могут удаляться путем диффузии и десорбции или путем
всплывания газовых пузырей.
Физически адсорбированный газ может быть легко и полностью
реадсорбирован. В случае же активной сорбции, протекающей при вы-
сокой температуре., обратимые изменения зависят от интенсивности сил
взаимодействия газа с металлом.
Так же как при абсорбции скорость диффузии вкутрн металла
зависит от концентрации газа на поверхности, так н скорость
процесса десорбции зависит от скорости диффузии
нз центра к поверхности металла. Это означает, что для
большинства систем газ —метвлл лимитирующим звеном процесса
десорбдин является скорость диффузии. Очевидно, что испаре-
ние газа с поверхности в большинстве случаев протекает значительно
быстрее, чем диффузия газа к поверхности.
При затруднении испарения на поверхности металла может ско-
питься слой реадсорбирующегося газа. Концентрационный градиент ог
внутренних зон к поверхности металла уменьшится, и реадсорбция мо-
жет стать лимитирующим звеном, препятствующим процессу диффузии
к поверхности металла. Поэтому выделение газов нз метал-
л а, аналогично их растворимости, определяется не только газовой сре-
12*
18 С Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
дой, давлением и температурой, но и рядом чисто физических факто-
ров, связанных с состоянием массы и поверхности
металла. Между температурой и давлением и процессом диффузии
при десорбции существует та же зависимость, что и при абсорбции.
Следует отметить, что в процессе десорбции также большую роль иг-
рает время, рис 105.
Понижение скорости удаления водорода при повышении темпера-
туры сверх 600—700° объясняется аллотропическими превращениями.
Рис. 105. Зависимость между количеством удаленного водо-
рода из стали и -временем при различных температурах
вверху— сталь 0,3% С и 3,5% Ni, внизу— сталь ли-
тая 0,3% С к 1.3% Мп
перестройкой решетки a-Fe в y-Fe и, следовательно, иными условиями
диффузии. Вообще влияние агрегатного состояния и кристаллического
Строения металла на количество и условия выделения газов чрезвычай-
но велико.
Широко известные так называемые «кривые растворимости» Водо-
рода в железе, никеле, хроме и марганце по исследованиям Сивертса
и др. представлены на рис. 106. Иногда эти данные рассматривают
как кривые предельной концентрации водорода. Однако они явля-
ются лишь частными Кривыми предельной абсорбции водорода желе-
зом, марганцем, хромом н никелем прн различных температурах из га-
Гааовые включения в стальных отливках
181
зовой фагвы, состоящей из молекулярного водорода под давлением
1 ат. При другой газовой фазе (например, Н? — Н2О) и других физиче-
ских условиях процесса абсорбции (иное соотношение поверхности
к массе, иное строение жидкого или твердого металла и т. п.) полхчат-
сн уже другие кривые зависимости абсорбции — «растворимости» от
температуры. До сих пор еще не известны и с тинные-пре-
делы растворимости водорода в этих металлах.
Автор полагает, что истинные пределы растворимости водорода
в металле, в точной трактовке этого термина физической химии,
вообще не определимы. Как отмечалось на стр. 174 процесс окклюзии,
абсорбции водорода только условно может быть назван «растворимо-
стью». Получаемое общее содержание водорода в металле яв-
ляется суммарным:
а) содержания (концентрации) атомарного водорода в виде твер-
дого раствора типа внедрения в кристаллической решетке внутрен-
них зон кристаллитов;
б) содержания (концентрации) атомарного водорода в растворе
в искаженных кристаллических решетках пограничных эон кри-
сталлитов;
в) содержания атомарного и молекулярного водорода
в межкристаллитных порах и участках нарушения сплошно-
сти металла (поверхности раздела по неметаллическим включениям,
межкристаллитные пленки)
Только для атомарного водорода в твердом растворе во внутрен-
них зонах кристаллитов (т. е. в идеале для монокристалла) возможно
установить понятие истинного предела растворимости, увязывая его
величину с температурой и давлением по закону Генри. Для водорода
в твердом растворе по границам зерен применимость этих зависимо-
стей уже проблематична и во всяком случае определяется, прн прочих
равных условиях, другими количественными характеристиками (иными
константами формул (39) и (40)1. Для водорода же в межкристал-
литных порах и на поверхностях раздела внутри металла этн зависи-
мости уже явно не применимы (наличие молекулярного водорода).
Таким образом, даже при одинаковых температурах, давлении и
составе газовой фазы общее содержание («растворимость»' водоопца
в металле одинакового состава, но различного строения, может быть
различным.
Вместе с тем представленные на рис. 106 данные имеют большое
теоретическое и практическое значение. Оми показывают, что водо-
род при понижении температуры стали выделяется
в большом количестве и особенно резко при затвер-
девании и аллотропических превращениях. Большая
часть водорода, заключенного в жидком металле, выделяется именно
при затвердевания в количестве около 3 объемов газа на объем метал-
ла в условиях эксперимента рис 106.
Подобное выделение водорода не следует связывать с такой его
концентрацией, которая обязательно должна превышать предельную
концентрацию при данной температуре по кривым пис. 106. Коивые
рис. 106, как указывалось, являются кривыми абсорбции, а не кривыми
истинной предельной растворимости даже в условиях постоянного дав-
ления (изобара 1 ат). Они не могут быть сравниваемыми, например,
с кривыми растворимости углерода в железе, хорошо известными из
диаграммы состояний железоуглеродистых сплавов.
В системе Fe — Н при понижении температуры обязательно прои-
зойдет выделение водорода, хотя бы его концентрация У 0ыла ниже
данных «предельной растворимости» рис. 106.
182
Литейные свойства и перегнал кристаллиаация стали
Количество удаляющегося водорода будет определяться измене-
нием его концентрации в металле в связи с условиями диффузии.
Транспортировки атомов водорода к поверхности металла и последую-
щей их десорбции.
Транспортировка атомов водорода к поверхности раздела металл —
газовая фаза происходит путем диффузии или увлечения различными
потоками, циркулирующими ме-
жду внутренними в наруж-
ными зонами жидкого метал-
ла. Если парциальное давле-
ние водорода в газовой фазе
мало и на поверхности разде-
ла имеется меньше адсорбиро-
ванных атомов водорода, чем
необходимо для равновесии С
имеющимися в растворе, то
будет происходить процесс де-
сорбции. На поверхности раз-
дела атомы водорода будут
адсорбироваться с бблыпей
скоростью из металла, чем из
газовой фазы. При этом, если
в газовой фазе над поверхно-
стью мала концентрация водо-
рода, то адсорбированный из
металла водород будет уда-
ляться в наружную атмосферу
быстрее, чем адсорбироваться
из нее.
В конечном счете произой-
дет десорбция водорода, пони-
жение его содержания, дега-
зация металла. Основным
условием для этого является
такая газовая фаза над -метал-
лом, которая бедна атомар-
ным водородом, получающим-
Температура, *£
Рис. 106. «Кривые растворимости» воде-
рода в железе, нихеле, хроме а марганце
ПО исследованиям Сивертса и др.
ся из-за диссоциации или ре-
акций с металлом соответствующих водородсодержащих соединений
(молекулярного водорода, алаги, углеводородов). При газовой фазе
сухой или состоящей из какого-либо инертного по отношению к водо-
роду газа (СО, Na, Cis, А и т. л.) перемет и-в а н и е металла уско-
ряет и помогает транспортировке водорода к поверхности раздела для
последующего улетучивания, испарения в атмосферу.
Таким образом процесс дегазации путем десорбции происходит по
существу одновременно с адсорбцией газа из атмосферы. Эффектив-
ность дегазации является результирующей этих двух противоположных
процессов.
Рассматриваемые условия выделения газа относятся к атомарному
его состоянию, понижению растворимости или диссоциации соответ-
ствующих химических соединений. Если же газ образует устойчивые
химические соединения, являющиеся даже определенными неметалли-
ческими включениями (окнелы, нитриды), то их выделение определяет-
ся уже общими условиями очищения металла от подобных включений.
В частности, для системы Fe — О известны предельные растворимости
кислорода в виде химического соединения FcO. Соединения же кисло-
Газовые включения в стальных отливках
рода с такими элементами, как кремний, алюминий и др., являются
устойчивыми соединениями, неметаллическими включениями, почти не
диссоциирующимися в металле в зависимости от любой внешней атмо-
сферы. Аналогичные соединения дает азот с такими элементами, как
хром, титан, цирконий и др.
Что же касается выделения сложных газов (СО, СО2, Н2О), то
оно также может определяться возможностью диссоциации
этих газов. Если же диссоциации нет, то сложный газ, находящийся
в молекулярном состоянии, может удалить-
ся только в виде газовых пузырей
(если не образуется, конечно, каких-либо
растворимых химических соединений, на-
пример, SiCO).
Для образования и всплывания газовых
пузырей! в жидком металле давление выде-
ляющихся газов должно преодолеть
силы внешнего давления [формула (35)].-
В обычных условиях Р„л ™ 1 ат, h ред-
ко выше 1,0—1,5 м что дает Л ? < 1 ат
2а
н ~ , алияние поверхностного натяжения
может быть весьма значительным для ма-
леньких пузырьков. Образующийся пузырь
всплывает в зависимости от своих разме-
ров, плотности и вязкости металла со ско-
ростью, определяемой в виде первого при-
ближения (пренебрегая трением и другими
поверхностными явлениями) по формуле
Стокса.
В практике для облегчения образова-
ния и всплывания пузырей уменьшение
Ратм <1, т. е. разливку в вакууме, обычно
не производят. Влияние металлостатическо-
го напора h- т сказывается в том, что в
слитках нз кипящей стали нижняя часть
бывает более поражена газовыми ракови-
нами, чем верхняя, рнс. 107
В отливках, затвердевающих без тако-
го бурного выделения газовых пузырей,
которое обусловливает «кипение^ стали,
тщательными анализами также обнаружи-
вается более высокое содержание газов
в нижних частях по сравнению с вер х-
н и ад и. Например, в ствльном слитке (3 т)
В. И. Явойский [57] определил 0,00004% Н
вверху я 0,00020% внизу.
Рис. 107. Разрез обычного
слитка из кипящей иязко-
•углеродмстой стали
(~0.Ю% Q
Влияние уменьшения поверхностного натяжения с и вязкости "Ч
в зависимости от состава и температуры металла 'видно из формул
(35 и 8). Чем больше жидкотекучесть металла, чем
1 Из совместной работы с | Б. П. Селивановым |
184
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
меньше его йоверхностное нвтяжение и вязкость.—
тем легче обра.зуются и всплывают пузыри.
Однако, как бы нн уменьшалось поверхностное натяжение, влия-
ние его на образование мельчайших пузырьков настолько велико ( 2т г).
что может воспрепятствовать их возникновению (см также стр. 173)
Такие пузырьки легко смогут образоваться только при наличии опре-
деленных зародышей на -поверхностях раздела внутри жидкости. Нт
этих поверхностях, создающихся мельчайшими кристалликами» неме-
таллическими включениями, газовыми пузырями, стенками, дном сосу-
я-О.ЗОЪЪ в в-Ц£ B-CQ е-С0.
lull
Рис. 108. Разрезы слитков (100 кг) из электролитиче-
ского вселив (0,02% С) с присадкой:
— 0,204» Л1 , поойедт»ш4 продуйте* 5кидкого метеч-
лп в теченье В мин.; О — 1Ь; в — Нт, ничем К»; г — N«.
Л Я — СО; е • UO.
Хов и подобными факта; ами„ нарушалэщими непрерывность строения
жидкости, давление выделяющихся из жидкости газов оказывается
уже достаточным для <зб:азовамия пузырька.
В такой пузырь мо«ет уже диффундировать атомарный газ, пар-
циальное^ давление которого внутри пузыря равно нулю. Продиффуиди-
ровавший внутрь пузыря'газ сможет ассоциироваться там в молекулы
и этим предоставить возможность для дальнейшей диффузии атомарно-
го газа. Таким образом атомарный газ может удаляться' нз ме
талла не только путем десорбции, но и в виде газовых пузырей.
Рассмотренные условия образования газовых пузырьков, требую
щие на основе представлений современной физики обязательного нали-
чия поверхностей раздела в жидком металле, были по существу впер-
вые предвидены еще в 1878 г. Д. К. Черновым, указавшим, что
«налитая в изложницу н подвергающаяся охлаждению сталь с первого же момента
начинает выделять газы, в виде весьма мелких пузырьков, которые прикрепляются
к первым приставшим к стенке изложницы и затвердевшим частицам стали»
Несмотря на это в иностранной литературе еще и теперь припи-
сывают первое описание механизма образования газовых пузырей
Хултгрену и Фрагмену'.
Так как удаление газов в виде пузырей ведет к более интенсивном v
очищению металла, чем процессом десорбции, то рассмотренная воз-
можность выделения атомарных газов в пузырях приобрела большое
практическое применение. Для очищения стали от водорода в процес-
се плавки производят специальное длительное кипение за счет реакции
обезуглероживания FeO -J- С. Для очищения цветных сплавов приме-
няют продувку их хлором, а чугуна — двуокисью углерода. Для прос-
той углеродистой стали, не дающей устойчивых нитридов и заметно
адсорбирующей азот только при очень высоких температурах, — та-
кое -очищение от водорода может быть достигнуто продувкой азотом.
1 Си., например, «Мартеновское производство стали (Основной процесс)» — пе-
ревод с английского. Металлургиздат, 1947, -331.
Газовые включения в стальных отливках
185
Совершенно плотный металл (рис. 108) после продувки водородом
стал сплошь пораженным газовыми раковинами (рис. 108,6). После до-
полнительной продувки металла азотом вновь (рис. 108, в) был получен
плотный металл. Продувка исходного металла азотом, окисью и дву-
окисью углерода (особенно азотом, рис. 108, г) дала значительно
меньшее количество газовых раковин.
3. Кислород в стали
Кислород находится в стали главным образом в виде растворен-
ных или взвешенных включений окислов соответствующих элементов
(FeO, МпО, SiO2, AI2O3 и т. д.) или силикатов и оксисульфадов
сложного состава, а также в виде соединений СО и СО2. Возможно,
как отмечал | А. А. Ьайков |, присутствие некоторого количества
кислорода и в атомарном состоянии. •
В мягкой стали растворимость кислорода в виде FeO прн темпера-
турах. близких к плавлению, составляет 0,21—0,22%, резко возрастает
при перегреве (до 0,35—0,40% при 1650°) и так же ре?ко падает при
затвердевании (до 0,10—0,05%).
С повышением содержания углерода и Других элементов, соединя-
ющихся с кислородом, предельная концентрация его насыщения уменье
шается. В зависимости от состава и условий плавки различные исследо-
вания определяют содержание кислорода в 0,01 % в раскисленной кис-
лой и 0,02—0,03% в основной стали (см. М. М. Карнаухов [56]).
Хотя содержание кислорода в стали кажется очень небольшим,
однако при реакции окислов с углеродом внутри металла образуется
огромное количество газов. Так, например, при реакции
FeO + C = Fe4-COt,
если прореагирует только 0,001% окислов, образуется реакционный газ
СО объемом 40% от объема жидкого металла.
Таким образом, недостаточно раскисленная сталь,
с повышенным содержанием кислорода в виде заки-
си железа, не может применяться для фасонных от-
пи в о к, так как вызовет неизбежный брак из-за газовых раковин
Как известно, раскисление стали, г. е. разложение закиси железа,
производится элементами, кислородные соединения которых имеют
меньшую упругость диссоциации, чем FeO. Образующиеся окислы МпО
SiO2, AI2O3 и др., вследствие очень низкой растворимости, частично
удаляются из жидкого металла, частично в нем остаются в виде неме-
тадлических включений- Элементы марганец, кремний, алюминий, титан
и др., кроме раскисления, образуют довольно устойчивые химические
соединения с некоторыми другими газами. Данные о гидридобразующих
элементах приведены на рис. 104. Точный состав многих таких соеди-
нений неизвестен, но можно считать, что распространенные раскислите-
ли, кремний и алюминий, связывают азот и, возможно, очень неболь-
шую часть Н2. При этом действие алюминия более эффективно, чем
кремния, вследствие большей устойчивости его соединений. Это пока-
зываю! термодинамические данные исследования некоторых нитридов.
Свободная энергия
образования на I
грамматом N при
iooox
Нитрид
Нитрид
Свободная энергия
образования на
гран патом N при
igocrc
Fe4N
CrN
AIN
28 600
14 000
— 8 500 II
S1,N4
TIN
ZrN
— 7 500
-41 000
-41 000
186
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Если концентрация Л> и Н2 и соответствующих химических соеди-
нений их с кремнием и алюминием невелика, то бурного выделения
газов в виде пузырей не происходит. Металл уже не «кипит», а затвер-
девает практически спокойно, «мертвым».
Только спокойно затвердевающий металл без выделения газовых
пузырей может применяться для фасонных отливок, обеспечииая полу-
чение плотЪюгЬ изделия. Поэтому такие элементы, как кремний и алю-
миний, роль которых заключается не только в раскислении, но
и в связывании газов, называются успокоителями.
Для определения необходимых количеств марганца, кремния и алю-
миния с целью получения спокойной стали часто рекомендуют пользо-
ваться эмпирической формулой Брине ля
Мп+ 5,2 Si+ 90 Al =1,66 до 2,05%.
Это уравнение учитывает влияние марганца как основного раскис-
лителя, а кремния и алюминия как окончательных раскислителей н ус-
покоителей (влияние кремния в пять раз больше, а алюминия в 90 раз
больше, чем марганца). Оно дает достаточно удовлетворительные ре-
зультаты для применения в практике производства слитков, в особен-
ности/из кислой стали.
Однако для 'производства стальных отливок следует прн нормаль-
ном содержании 0,7—0,9% Мп и менее 0,03% S пользоваться эмпири-
ческой формулой [58]
Si + 4Al = 0,35 до 0,45% и иногда даже до 0,55—0,60%.
Количество кремния и алюминия, определяемое по этой формуле,
выше, чем по предложенной Бринелем. В условиях производства слож-
ных фасонных отливок из стали содержание кремния и алюминия не-
обходимо иметь для гарантии получения «мертвой» стали более высо-
кое, чем при производстве слитков. Дополнительное количество крем-
ния и алюминия в стали для фасонных отливок требуется потому, что
эта сталь обычно выплавляется и разливается при более высоких тем-
пературах. Сталь, следовательно, имеет более высокое содержание га-
зов при плавке н, кроме того, при заполнении формы получает ббль-
шую поверхность соприкосновения с воздухом (следовательно, погло-
щает больЩе газов).
Чем сложнее отливка, чем выше температура стали, чем длитель-
нее разливка, чем больше поверхность соприкосновения стали с газами
формы, тем большее значение суммы Si + 4 Al следует принимать (до
0,55—0,60%).
Влияние кремния и алюминия как раскислителей и успокоителей
нельзя рассматривать раздельно. Чем больше присаживается кремния,
тем меньше может быть дано алюминия.
Обычно в практике изготовления стальных отливок содержание
кремния держится -в пределах 0,2—0,4%, что вызывает минимально не-
обходимое содержание алюминия в 0,02—0,06%.
Минимальное содержание кремния в 0,2% в спокойной стали было
установлено еще Д. К. Черновым и иллюстрируется данными табл. 20.
Необходимо отметить, что в раскисленной низкоуглеродистой стали,
вследствие низкого содержания FeO в С, не может развиваться реак-
ция FeO + С, являющаяся основным источником образования СО. По-
этому выделение иэ такой стали водорода и азота, при низкой их кон-
центрации, в виде совместных с СО пузырей почти не имеет места. Они
могут выделяться преимущественно процессом десорбции или в виде
Газовые включения в стальных отливках
187
Т в б л и ч 2D
Влияние содержания кремния на выделение газов и характер затверде
вания стали
Характер стали Содержание кремния Чв Характер затвердевания
Сталь совершенно не раскисленная и не успо- коенная 0 Очень большое количество выделяющихся газов, стая-, интенсивно кипит
Нормально кипящая сталь < 0,01 Меньшее количество гаэоа зависящее от содержания на ганца, скорости наполнения формы, температуры задивки к т. п.
|Толуспокойвая сталь 0,01—0,12 Небольшое количество га- зов, вскипание перед 3aiMf- ле на н нем
Спокойная сталь 0,12—0,20 Очень небольшое выделение газов
Вполне спокойная, рас- кисленная («мертвая») LWb > 0,20 Практически заметного вы- деления газов в виде пузырь ков нет.
Рис. 109. Выделяющиеся к остающиеся
газы в катящей к спокойной стали
самостоятельных пузырей. Часть N2 связана в определенные химические
соединения с кремнием и алюминием. Таким образом, из спокойной
стали, при ее охлаждении, выделяется меньше газов, чем из кипящей.
Однако количество газов, остающихся в азтвердевшей и остывшей спо-
койной стали, из-за этого окажется более высоким, чем в стали кипя-
щей. Это положение поясняется схемой рис. 109 о количестве выделив-
шихся и оста'вшихся газов в стали, вылущенной из 'печи в два ковша:
1Я8
Литейные свойства и первичная кристаллизация стили
Рис. ПО. Мгновенное влияние азюминия на раскисление и усполоенне
стали. Разрез слитка весом 700 кг 0,10% С), внутри которого
(до середины -высоты) была воткнута лента алюминия после начала
килення:
— теиплет виза-
б — середшпы
ив — верха слитж»
в один ничего не присаживалось — сталь получилась кипящей; в дру-
гой присажен ферросилиций — сталь получилась спокойной.
Влияние алюминия на окончательное раскисление и успокоение
стали еще более интенсивно, чем кремния (табл. 21).
Количество оставшихся газов в успокоенной алюминием стали
в два раза выше, чем в кипящей стали.
Мгновенное, эффективное влияние алюминия на успокоение стали
иллюстрируется исследованием автора, рис. ПО.
При разливке обычной кипящей основной мартеновской стали
в один из слитков прямоугольного сечения (275 X 300 мм), через- 3 мин.
после конца заливки была воткнута тонкая лента алюминия. Хотя
Газовые включения в стальных отливках
189
лента алюминия дошла только до середины высоты слитка, так как
быстро расплавилась, ио кипение стали в изложнице немедленно пре-
кратилось. Разрез слитка показывает весьма характерную картину.
В области действия алюминия получается плотная беспузыристая сталь
с усадочной раковиной, как это имеет место в обычной спокойной
стали.
Таблица 21
Влияние алюминия ив количество газов в стали,
как следствие ее успокоения
Количество газов в из 100 а стали Л8 Всего га- I зов в ем* на 100 г | стали
СОа н, СО СН« n2
В стали с 0,8% С, успокоенной А] . . . В стали с 0,8% С без At 1.54 0,37 47,8 23,0 41,8 17,8 0,66 0,73 0,77 0.20 91,9 42,0
Низ слитка, который не был подвергнут успокаивающему дейст-
вию алюминия, представляет собой обычную картину расположения
пузырей » кипящей стали (сравнить рис. 110 и 107).
Таблица 22
Влияние кремния и времени присадки ферросилиция на связывание
газов в стали
Ьеэ ферроси- лиция Ранная присадка ферросилиция (на дно ковша) Своевременная присадка ферро- силиция (в струю стали при •/» ковша)
«аль кипящая сталь спокойная сталь спокойная
Содержание элементов, % 0,10 0,35 0,35
0.0 0,22 0,25
Состав и количество выделившихся газов, в интервале температур °C
до 1300° 1300— 800* до 1300° 1300— 800° до 1300° 1300— 800°
СОа 4,8 3,5 ; 4,2 6,1 4,6 4.0
СО 54,3 21,2 52,5 35,4 65.8 16,7
н. 30,0 Н.1 41,0 37,2 20,0 8,4
сн4 2.2 1,8 2,3 1,1 1.2 0,4
Ns 8,7 62,4 __. 22,0 8,4 . 70.0
Количеством 36,0 2.8 18,0 8,4 11,0 8.»
Отношение:
1,28 . 0,10 0,64 0,28 0,39 0,14
объем отливки
190
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
В связи с этим влиянием кремния и алюминия на успокоение стали
необходимо присадку ферросилиция и алюминия производить не в печь
перед выпуском, а возможно более поздно в ковш. Тогда, при пониже-
нии температуры стали прн выпуске, известная часть газов из нее вы-
делится и меньшее количество останется после успокоения (табл. 22).
Так как все стали, особенно II и III, имели примерно одинаковое
количество газов при выпуске нз печи, то в стали II, успокоенной
сразу после выпуска (присадка ферросилиция на дно ковша), количе-
ство газов будет большим не только по сравнению с кипящей сталью !,
но н с поздно успокоенной сталью III.
Прн длительной разливке, особенно под основным анлаком в ковше,
сталь может подвергнуться вторичному окислению. Содержание крем*
иия и алюминия в стали уменьшается, а химические соединения могут
диссоциировать. В результате к концу разливки начнется интенсивное
выделение газовых пузырей нз стали и в соответствующих отливках
появятся газовые раковины.
4. Водород в стали
Уже отмечалось, (что водород в стали, попавший в нее в процессе
плавки или из формы, является главной причиной образования рако-
вин и других дефектов в отливках. Газовые раковины получаются,
как следует из мехвиизма их образования, при выделении водорода
в виде газовых пузырей из жидкой стали. Прочие
дефекты (горячие трещины, флокены, низкая пластичность) получаются
в некоторых условиях под влиянием процесса диффузии водо-
рода уже в твердой стали.
Выделение водорода при понижении температуры стали происхо-
дит вследствие изменения его растворимости, особо резко прн
затвердевании стали и аллотропических ее превращениях. Прн этом
понижение растворимости происходит вне связи с
абсолютным содержанием водорода и тем, что эт*о
содержание может быть ниже истиииого предела
растворимости.
Из квадратичной зависимости между концентрацией атомарного
растворяющегося водорода Н и парциальным давлением молекулярного
водорода Ри,
[Н]=*. PH_=J5!L (41)
следует, что достаточно уже небольшого изменения в концентрации
растворенного водорода, чтобы вызвать значительное изменение давле-
ния при его выделении. Например, из кривых Сивертса Fe — Н, хотя
и недостаточно полных для жидкого состояния, но обычно принимаемых
из-за отсутствия других данных, следует- при затвердевании железа
(охлаждение с 1700 до 1530°) содержание водорода понизилось
с 0,003 до 0,0006%, т. е. в пять раз, что соответствует понижению Рце
уже в 25 раз. Это означает, что наиболее эффективным средством
борьбы с образоввинем газовых пузырей из-за интенсивного выделения
водорода является всемерное понижение его содержания в стали.
Практически имеет значение понижение содержания водорода на
каждую 0,0001 %. Расчеты Н. М. Чуйко [59] показывают, что при
повышении содержания водорода в стали с 0,0007 только до 0,001 %
давление выделяющегося молекулярного водорода из жидкого металла
уже превышает I ат. Следовательно, даже для раскисленной
стали необходимо иметь концентрацию водорода
ниже 0,001%.
Газовые включения в стальных отливках
191
Вообще вопросы ассоциации атомарного водорода в молекулы
и влияния давления выделяющегося водорода Рн2 имеют большое
значение для качества отливок. Как видно из формулы (41), дмление
Р при данной концентрации атомарного водорода обратно пропор-
ционально квадрату константы к. Расчетом из кривых Сивертса рис. 106
определены следующие значения к для системы Fe — Н:
Для Fe жидкого
> Fe=»8
. Fe=T
• Fe—а
Ьж=275-Ю-Я 175.5-10-*
ks = б0.10-8-‘° — 30,0-10*
*r =. ВВ-МГ*’*0— 37.2-10“®
fe = 48-10“8-*° — 17,2-КГ®
Константы для жидкой стали значительно больше, чем для твер-
дой, а для FeT больше, чем для Fee и Fe,. Так как при понижении
температуры константы уменьшаются, то Давление ассоциированного
в молекулы водорода возрастает [формула (41)].
Удаление молекулярного водорода из металла будет возможно
только в том случае, если давление Ри, превысит силы внешнего
давления ЕРВН.Д, рис. 111.
Кривые повышения давления выделения водорода рассчитаны при
различных его содержаниях в стали в зависимости от понижения ее
Рис. 111. Теоретически рассчитанные давления выделевкя водорода в стали
во время охлаждения
температуры. В отношении сил внешнего давления принято для жидкой
стали ^Рвн.п.-ЖВдч-== 1 + т е- не учтено поверхностное натяже-
ние. Для твердой стали -Рвв.и.тверд. = 36» т. е. пределу прочности
стали, повышающемуся при понижении температуры.
Из рис. 111 видно, что только прн содержании ниже 0,001% водо-
род, находясь в молекулярном состоянии, не будет удаляться в виде
192
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
газовых пузырей сквозь жидкую сталь. Но этого содержания водорода
уже достаточно для того, чтобы давление выделения превысило при
400° предел прочности и вызвало трещину в стали. Прн повышении
содержания водорода сверх 0,001% давление выделения особо резко
повышается вблизи интерцвла затвердевания, превышает 1Р,Н.Д 1ИЫК.
и вызывает «вскипание# стали. Это так называемое «водородное
кипение» поражает отливку газовыми раковинами. Кроме того,
достаточно иметь только 0,0015% Н2 для того, чтобы Рн, немедленно
после затвердевания стали уже превысило £РВН-д-ткр» и вызвало
разрыв, горячую трещину.
Таким образом, только очень низкая концентрация
водорода (<0,001 %) и возможно полная диффузия
и десор.бци.я его в атомарном состоянии прн ох-
лаждении могут предохранить отливку от обра-
зования газовых раковин и местных напряжений
и трещин.
1) Водород v жидкой стали. Содержание водорода в жидкой стали
зависит, при данной температуре и даалении, от диссоциированной
части водородной атмосферы над поверхностью металла. Диссоциация
молекулярного водорода заметно возрастает при повышении темпера-
туры, что в известной мере определяет повышение н содержания
абсорбированного водорода в стали. Эта диссоциация протекает как
при столкновении молекул водорода с поверхностью металла, так
и непосредственно под прямым воздействием температуры.
Степень термической диссоциации водорода видна из уравнения
Лэнгмюра для константы диссоциации НУ ^2Н
10 700
g k = lg =-------------F 4,89,
и составляет 0,14 и 1,2% диссоциированного Н2 при 1700 и 1800°.
Как отмечалось, до сих лор точно не известны конкретные условия
адсорбции из различных водородсодержащих сред. Может оказаться,
что концентрация адсорбированного водорода в стали при данной
температуре, прн атмосфере из молекулярного водорода с давлением
1 ат определяется в условиях эксперимента Сивертса (см. рис. 106)
переходом в металл, например, 10 атомов на единицу поверхности
стали. При адсорбции же водорода по реакции Fe« + Н2ОГ«Э
FeO ж + 2Н концентрация его в стали может определяться перехо-
дом уже иного количества атомов на ту же поверхность. Адсорбируе-
мое количество атомов может оказаться большим, чем из атмосферы
только молекулярного водорода. Это означает, что. изменение атмосфе-
ры, ,в которой находится сталь, путем, обогащения ее, например парами
воды, будет достаточным для того, чтобы, при Других благоприятных
условиях адсорбции, повысить концентрацию водорода в стали сверх
значений, даваемых кривыми Сивертса Например, известны исследо-
вания, показавшие, что скорость насыщения жидкого алюминия водо-
родом значительно возрастает в атмосфере водяного пара по сравне-
нию с атмосферой сухого молекулярного водорода.
Известны также достаточно точные исследования [60], по которым
определено содержание водорода в углеродистой бессемеровской стали
в 0,0035%, т. е значительно выше, чем дают кривые .Сивертса для
системы Ft—Н.
В данном случае разница в составах •металла (железо и углероди-
стая сталь) не могла повлиять на такую разницу в концентрациях. Но
вообще состав стали резко влияет на концентрацию водорода и уело-
Газовые включения в столоны): отливках
193
вня его выделения. Как видно нз рис. 106, при прочих равных усло-
виях, концентрация водорода в стали, содержащей никель и марганец,
должна быть выше, чем в железе (или углеродистой стали), а в стали,
содержащей хром, ниже.
В этом влиянии никеля, марганца н хрома можно усмотреть ту же
закономерность, что н в концентрации водорода в Fe-p и Fe-a
пли Fe-B. Объясняется это, видимо, тем, что атомарный водород,
образующий твердый раствор по типу внедрения, может быть в ббль
нгем количестве удержан в гранецентрироваииой решетке Fey, чем
в пространственно-центрированной Fe-a (5).
Изложенное может объяснить известный факт, что ферритные
хромистые стали по сравнению с аустенитными никелевыми легко
дают отливки, пораженные газовыми раковинами. Казалось бы, что
вследствие более низкого
содержания водорода в
хромистой стали следует
ожидать обратного явления.
Однако, как указывалось,
выделение водорода при за-
твердевании стали опреде-
ляется не только его абсо-
лютным содержанием, но и
относительным понижением
концентрации при измене-
нии агрегатного состояния.
Поэтому именно встедствие
более низкой растворимости
водорода в твердой хроми-
стой или в любой другой
стали с решеткой Fe-a бу-
дет выделяться при затвер-
девании большее количест-
во водорода- Это явление
будет во всех тех случаях,
когда концентрация водоро-
да в жидкой хромистой или
никелевой сталях примерно
одинакова, рис. 112 [61].
Изложенное также объ-
Температура, 'С
Рнс. 112. Схематическое изображение
влияния кристаллизации стали по ре-
шеткам Fe-I или Fe-b (а, следователь-
но и влияния никеля, марганца и хрома)
hi выделение водорода вследствие по-
нижения его растворимости при затвер-
девании соответствующей стали (кри-
вая I — для «усгенитной, «риявя II —
Для ферритной стали)
ясняет, почему на некото-
рых заводах США в пос-
леднее время, для предот-
вращения роста отливок из
высоколегированной нике-
лем и хромом стали, начали
продувать ее перед выпус-
ком аргоном (через трубку,
вставляемую в завалочное
окно электропечи).
2) «Дикая» сталь. Вы-
сокое содержание водорода н резкое его понижение при затвердева-
нии валяются одной из основных причин получения так называемой
Дикой стали. Эта сталь вскипает, растет в изложницах и формах,
несмотря на сравнительво полное ее раскисление я присадку больших
количеств кремния и алюминия. Высокое содержание водорода валяет-
ся также одной из основных причин поражения отливок газовыми
13 8*х*а 79. Ю Л Нехевдаи
Литейные саойства и нердичная кристаллизация стали
раковинами даже в тех случаях, когда явных признаков роста стали
при заливке не наблюдается.
Особо характерны случаи получения подобного металла при плавке
стали в кислых электродуговых печах на шихте многократного пере-
плава без окислительного периода (без кипения); при протекании
экономайзера электрода в кислой или основной печи, когда вода попа-
дает в. рабочее пространство речи; при применении в основной марте-
новской печи лежалой извести — «пушонки» в период доводки или
алажной, плохо просушенной руды в период окисления; при перегреве
металла в печи и особенно при длительной выдержке раскисленного
металла в печи; при длительном процессе плаалення стали; при при-
менения мазута иля генераторного газа с высоким содержанием алаги;
при распыленна мазута паром, а не сжатым воздухом; прн выпуске
стали в плохо просушенный ковш и практикующейся на некоторых
заводах заливке водой футеровки ковша между плавками; при плоха
разделанном отверстии печи, определяющем длительный выпуск плав-
ки; при применении ферросилиция (при выплавке кремнистых сталей),
богатого водородом н непрокаленного перед присадкой, при примене-
нии электролитических никеля и меди, присаживаемых после оконча-
ния процесса окисления, и т. д.
Полезно привести ряд примеров, иллюстрирующих большое влияние каждого
нз перечислении х факторов ва повышение содержания водорода в раскисленной ста-
ли и на пашяенп соответствующих дефектов в отливках.
а) Влияние пихты м н Г>г о ж: ip а ти от-о переплава. На заводе
нм. Молотова в Ленинграде наблюдался массовый рост от.тдаок при залквке сталью
из кисло! электропечи, выплавленной жа пЛхте шюгократаого переплава. По-
вышая: ые присадки ферросилиция и алюминии брака не снизили. Только системати-
ческое освяженне шихты я частичное проведение плавок с окислением лиювидирова-
лн*рвс1 стаяи- Д^е щж я-чавке в осиоэной дуговой электропечи яа этом заводе
наблюдался в ттжкостеянай, быстро затвердевающих отлииках. высокий брам по
гаковьы раковинпм .(60—70%), если применилась шихта с 70% своих отходов. Пе-
ревод жа шихту с 45% отходов (прибылей, литников, брака оиыжкж), яри сохране-
нтт то! Же длительности кипения (30—40 м»и. для печи 1,5—2,0 г}, в сочетании
с рядом, других мероприятий ликвидировал указанный брак [62[.
В США на вдом нз заводов при изготовления отливок с 0,15% С и
2.Q—2,25% Si иробоваАц рассчитывая на раскисляющее действ» большой присади:
Ферросилиция, вести ллаару ив отходах без кипения. Несмотря на дололян тельную
присадку 0,15% А1 в Ковш, еталь во всех опоках выросла [611.
6) В л и яе не течи холодильника он е ч и. На Невском заводе
им Ленина веред выпуском из основной дуговой электропечи высоколегированной
стали с 25% Мл 0,6—0,8% S1 внезапно потек экономайзер электрода Уже чераз
несколько минут пробы в стаканчике начали расти. При ылуеке стали в яаж при-
сажена около 2% А!. Несмотря на это, сталь выросла во всех опоках я в излож-
ницах |[63[.
В аналогичных условиях течи холодильника! определено непосредственно со-
держание водорода о ввкелемолибдемовой стали, которое возросло в 10—20 раз
(с 0,0008 до 0,006%).
я) Вл я я ня е припевеимя влажной взвести И руды. Непосред-
ственно после Приса дни влажной извести содержание водорода в освовной марте-
новской стали повысилось в два раза (хотя присажено было только 100 кг).
Содержание влаги, при длите.чыюм хранении обожженной извести, может повысить-
ся ® ней до 15%. Увеличение в связи с этим содержания водорода в стали влияет
на ряд дефектов в отливках, в том числе в иа флокены [64].
Прн аримеакнм же сухой руды и свежеобожжеяюй «ввести содержание во-
дорода к кончу мяч можжо понизить. ПО данным А, М. Самарина, до 0,0003—
0,0005% [65].
Г) Влияние перегрева и выдержки р з с к нс л е я ного метал
ла. Даже непродолжительная выдержка (15—20 мин.) основной мартеновской стали,
раокислеивой ферроыаргаяцем -к ферросилицием в печи, гпособт почта вдвое поту-
сить концентрацию водорода в стали.
Вродвое влияние выдержки на послощеяте газов обусловлено же только высо-
кой тениеретурон металла, во и влиянием раскислителей на уэемгчедав скорости
растворения. Так, например, ка растворимость азота в стали содержащиеся в ней
Газовые включения в стальных отливках
1«3
0,15% А1 и 0,70% S1 «ючгя же ыжяют, во зато скорость раст&оретя изота алюми-
ний [0,15%) увеличивает в 12 раз, а кремний (0,70%) в 20 раз -,[65|.
д) Влияние длительности плавления и доводки. Водород,
попавший в шихту с ржавыми материалами, в значительной мере удаляется прн
плавлении. Однако прн длительное плавлении большая аю&ерхность металле подвер-
жена непосредственному воздействию газа. Кроме того, задерживается образование
шлака, который в некоторой кере аредохраюяет металл от насыщения водородом
нз атмосферы печи. Это ухудшает условия удаления водорода ржавчины и повы-
шает содержание водороде в металле к началу окислительного периода.
Влияние повышенной длительности доводки очевидно на основе &. <г». Спе-
циальным исследованием автора * установлено, что удлинение процесса плавлении
и доводки является одним на факторов, влияющих на брак по паевым ржовинаы
кокильных отливок нз легированной стали.
е) Влияние влажности тослава. При применения генераторного га-
за из сырых дров в Швеции систематически получали «дикую» сталь, несмотря на
полное ее раскисление [63]. При применении генераторного газа из просушенных
суховоэдушиьгх и сырых дров (содержаще влаги соответственно 14, 20 я 43%)
содержание водорода в стала ыоеыснлось больше чем вдвое (орк сырых дро-
вах).
Прн переходе с парового распылеиия мазута ни воздушное на Невском заводе
был ликвидирован брак нагонных центров по мелким газовым раковинам. На Воро-
пмлонгрядсксы заводе нм. ОР ликвидировался брак но флокенам в никелехромистой
стали для парозоэиых дышел |66[-
ж) Влияние сырого ковша. При выпуске стиля Гвдфияьда вэ одной
печи в два кошка для разливки мелких опок один ковш был подан плохо просушен-
ным после капитального ремонта. Во всех опоках, запитых нз этого ковша, сталь
выросла. Все формы, залитые нз другого ковша, оказались удовлетворительиымн.
з) Влияние содермсаиия водорода в ферросплавах. Все
ферросплавы характеризуются повышенным, по сравнению со сталью, содержанием
газов, в частности, водородом (за исключением феррохрома и ферромарганца).
Особо велико «одержат* водорода в электролитическом яккэле я ферросилиции.
Присадка 1—Ч%> Ni может ввести объем водорода, почти равный объему всего ме-
талла. Аналогично, на Краматорском заводе им. Сталина брак отливок (по ракови-
нам и трещинам) «торных ребристых плит для каркаса Дворца Советов нз медистой
стали был ликвидирован при переходе па присадку медн в виде лигатуры вместо
алектролитической [67].
При выплавив выспжохремяистей стали приходится иногда ироияводп-п. специ-
альные пристрелочные плавам, чтобы проверять, дает ли данный сорт ферросили-
ция рост стали, а, во всяком случае, производить прокаливание присаживаемого
ферросилиция.
Подобных примеров можно было бы привести много, л все оэд относились бы
к полностью раскисленной стали, в которой, казалось бы.
не должно быть значительного выдслеии-я газов.
3) Влияние водорода на образование газовых раковин в раскис-
ленной стали. Вследствие высокого содержания водорода в исходных
материалах или повышения его во время плавки получается в стали
чрезмерно большая концентрация водорода илн его соединений. Она
обусловливает интенсивное выделение свободного водорода при пониже-
нии температуры стали н особенно при затвердевании Выделяющееся
большое количество пузырей свободного водорода вызывает вскипание,
«рост» стали и образование газовых раковин в отливках.
Добавка кремния и алюминия в избыточном количестве оказы-
вается не в состоянии практически удержать в этих случаях излишний
водород от выделении прн понижении температуры стали.
Таким образом, выделение свободного водорода при высокой его
концентрации происходит иа основе рассмотренных положений об изме-
нении растворимости прн понижении температуры. Казалось бы, это
выделение не может зависеть от содержания кремния и алюминия,
если они не образуют устойчивых гидридов. Но как тогда объяснить
1 Совместно с А Л Богородсквы.
13’
196
Литейные Свойства и первичная кристал шзация стали
успокоение стали, прекращение кипения при присадке кремния и алю
миния, наблюдаемое в практике ежедневно во всех тех случаях, когда
концентрация водорода в стали не чрезмерно высока3
Широко распространено .мнение, высказанное давно многими ’ме-
таллургами, что при понижении температуры стали в ней развивается
реакция FeO-[ С Fe -| СО. Эта реакция независимо от влияния
своего теплового эффекта протекает в металле вследствие повышения
концентрации FeO или углерода из-за явлений ликвации. Образую
щаяся СО выделяется в виде пузырей, которые механически увлекают
за собой водород и азот.
Однако в спокойной, раскисленной стали для фасонных отливок
эта реакция не может иметь заметного развития нз-за низкой концент-
рации FeO, в чем легко убедиться при рассмотрении соответствующих
констант реакции FeO -J- С. Зато в кипящей, не полностью раскислен-
ной стали, как доказывается многочисленными работами в различных
странах, основной причиной образования пузырей яв чяется действитель-
но СО.
Для спокойной же стали следует 'Принять высказанное также уже
давно .положение о том, что водород .может выделяться вне зависи-
мости от пузырей СО. Примеры нз практики и многочисленные иссле-
дования по доведению до кипения полностью раскисленной стали путем
продувки через нее водорода доказывают 'правильность этого поло-
жения.
Остается только уяснить, в каком виде и как выделяется раство-
ренный в стали водород, вызывая ее кипение и рост. Уже отмечалось,
что водород растворяется в стали в атомарном виде и, следовательно,
если он не образует гидридов, свободно диффундирует в жидкой
и в твердой стали. Отсюда следует, что выделяться в виде
пузырей атомарный водород не может. Кроме того, как
указывалось выше, в чистой не замутненной взвешенными включениями
(«прозрачной») жидкости вообще образование мелких пузырей весьма
затруднено из-за влияния поверхностного натяжения жидкостн.
Жидкнй металл в реальных условиях не является «прозрачной»
жидкостью. Поэтому атомы водорода, попадая прн движении в жидком
металле и особенно в момент начала его затвердевания на поверхность
отдельных образовавшихся кристалликов, зародышей кристаллизации
и неметаллических включений, могут ассоциироваться в молекулы,
образующие зародыши газового пузыря. В этот пузырь молекулярного
.водорода, в котором парциальное давление атомарного водорода нич-
тожно, начинают диффундировать другие атомы водорода н также
ассоциироваться в нем в молехулы. Водород адсорбируется в эти пу-
зыри, он как бы испаряется. Пузырь растет и, если не прилипает к от-
дельным твердым частицам, всплывает в жидкой стали при низкой
ее вязкости или застревает при неблагоприятных условиях выделения.
В этот пузырь могут также диффундировать атомы азота. Пузырь
может, в процессе подъема, соединиться также с пузырьком СО или
другого газа, всплывающим одновременно на близком расстоянии.
Образование пузырей возможно и при реакции атомарного водо-
рода с отдельными включениями оксидов, сульфидов и карбидов, я
также с FeO по реакции
FeO2Н 7? FeНИО t
При низкой концентрации водорода в стали Образующиеся моле-
кулы Н2О или другого водородсодержащего газа должны, при темпе
ратурах жидкой стали, немедленно диссоциировать с образованием
вновь атомарного водорода. Однако при высокой концентрации водо-
Газовые включения в стальных отливках
197
рода в объеме жидкой стали вокруг образовавшейся молекулы Н2О
некоторое хотя бы и очень небольшое количество этих молекул может
существовать в недиссоциированном виде и не реагировать с железом.
Образующиеся таким образом молекулы Н2 и Н2О или другого
водородсодержащего газа дают начало газовым пузырям с парциаль-
ным давлением атомарного водорода, близким к нулю. В эти пузыри
происходит интенсивная диффузия атомарного водорода и ассоциация
его в молекулы Пузыри растут, всплывая в стали, и удаляются
Указанные реакции между атомарным водородом и окисламн, ве-
дущие к образованию Н2О и пузырей с молекулярным водородом,
к вскипанию и росту стали, вполне идентичны реакциям, обусловли-
вающим так называемую «водородную болезнь» меди. Если
жидкая медь, насыщенная водородом, разливается в условиях, предо-
храняющих ее от окисления, то никаких газовых раковин в отливке
не образуется. Достаточно небольшого окисления меди до разливки
или во время ее, чтобы наблюдался большой рост отливок из-за
реакции
Си,О -}- 2Н.' 2Сц + Н2О.
Представляя себе таким образом механизм выделения не связан-
ного >в гидриды атомарного водорода в виде пузырей из раскисленной
стали — можно сделать следующие выводы.
1. При низкой концентрации водорода в стали,
выплавленной в нормальных условиях с надлежащим процессом кипе-
нии металла в печи, достаточно присадить 0,2—0,4% St,
чтобы получить полностью успокоенную сталь. Это содержвиие крем-
ния удовлетворяет требованиям полного раскисления стали и пониже-
ния в ней концентрации FeO и МпО до такой степени, что реакций
взвимодействия FeO и МпО с атомарным водородом не будет. Также
затруднена будет, при низкой концентрации водорода, ассоциация его
атомов в молекулы прн столкновении их со взвешенными включениями
в жидком металле.
Водород останется растворенным в стали в атомарном состоянии
и выделяться в виде пузырей не будет.
2. При более высокой концентрации водорода
в стали остающаяся после присадки 0,2—0,4% Si концентрация
FeO и МпО может оказаться достаточной для того, чтобы развились
реакции FeO(MnO) + 2Н Fe(Mn) + Н2О. В этом случае уже будут
образовываться газовые пузыри и, следовательно, газовые раковины
в отливках (особенно в виде «ситовидной пористости», т е. мелких
подкорковых пузырей).
Присадка, кроме 0,2—0,4% Si, алюминии, иногда даже до 0,10—
0,15%, произведет более углубленное н полное раскисление. В резуль-
тате атомарный водород, прн несколько повышенной концентрации его.
выделяться в виде пузырей, как следствие реакций с оксидами, уже
не сможет (известное влияние алюминия на ликвидацию брака по си-
товидной пористости в отливках, см. например, [681).
3. При еще более высокой концентрации водо-
рода, обусловливающей получение «дикой* стали, т. е. рост стали
при любом содержании кремния и алюминия, в отливке легки образу-
ются мельчайшие пузырьки какого-либо газа. Они получаются
в результате реакций атомарного водорода с оксидами и сульфидами.
Они могут также являться пузырьками молекулярного водорода на по-
верхности твердых частиц в жидкой стали.
В имеющиеся в жидком металле при заполнении формы пузырьки
какого-либо механически включенного газа и во вновь появившиеся
198
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
пузырьки начинается интенсивная диффузия атомарного водорода.
Внутри пузырьков образуется молекулярный водород; пузыри, всплы-
вая, растут, достигают больших размеров — сталь вскипает.
В этом отношении интересно отметить характерную практическую
особенность «дикой» стали.- при охлаждении в форме она не кипит ров-
ным пузырем, как нормальная кипящая сталь, а вскипает только
при начале затвердевания. На верхней поверхности отливки образуются
бугры, похожие на известные бугры «цветной капусты» в слитках из
кипящей стали.
Вскипание к концу затвердевания может также произойти из-за
того, что вследствие резкого понижения раствооимости водорода в за-
твердевшей наружной части отливки, оставшийся жидкий металл во
внутренних зонах обогащается выделяющимся водородом (получается
как бы «ликвация» водорода)
4) Водород в твердой стали. Атомарный водород в твердой стали
при повышении температуры или под влиянием времени может сво-
бодно диффундировать, так же как и в жидкой, но только в том
случае, если на пути к поверхности отливки он не встречает наруше-
ний сплошности металла. При попадании же в межкристаллитные
поры, в усадочные и газовые раковины, при столкновении с неметал-
лическими включениями, с искаженными кристаллическими решет-
ками и межкристаллитными пленками на границах зерен — атомар-
ный водород может ассоциироваться в молекулы.
Дальнейшая диффузия молекулярного водорода невозможна. В зани-
маемую нм полость диффундируют другие атомы водорода, также
ассоциируются, — « результате повышается местное давление выде-
ления Рн , могущее достигать по расчету 100—180 кг 1мм1 (см.
рис 111). Пиевышается предел прочности стали, н в месте скопления
молекулярного водорода образуется трещина или, в лучшем случае.,
гилыю напряженный участок.
Образование молекулярного газа из атомарного водорода облег-
чается при повышенных температурах возможными реакциями водо-
рода с сульфидами. оксидами, карбинами (FejC + 4Н— 3Fe -Jr-CHi:
MnS -I- 2Н = Мп H2S и т. д.). Образующиеся молекулярные водород-
ные соединения, так же как и молекулярный водород, не растворимы
в металле, не могут в нем диффундировать, развивают внутри металла
большие напряжения н выделяются только после разрушения металла.
Имеется много исследований в различных странах, подтверждающих
указанное поведение водорода в твердой стали *.
Большое значение придается этому вопросу потому, что выделе-
ние водорода нз жидкой стали приводит к образованию газовых рако-
вин в отливках: выделение же водорода из твердой стали вызывает
образование грешны и ухудшает механические свойства Особенно
велико влияние водорода на появление тонких, внутрикристаллических
трешин (флокенов), образующихся при большом давлении выделения
молекулярного водорода в участках междендритной ликвации, участках
скопления неметаллических включений и очагах концентрапии напря-
жений (фазовых и термических).
Однако в литом металле этот вид трещин встречается значитель-
но реже, чем в ковавом [69]. Благодаря большому количеству пор
в отливке, скопления молекулярного водорода рассредоточиваются
и давление его в каждом участке уменьшается. В поковках же, вслед
ствие уплотнения металла, давление водорода в отдельных участках
’ См. сборник «Трупы Всеспюэтогд бтеешання по борьбе с флокенаж в стали».
Гааовыв емючеюи в стальных отмахах
достягаес очень больших величин. В отливках характерно образование
иод влиянием водорода трещин несколько иного порядка, чем флоке-
ны.- они более крупны и располагаются примущесгвенно не внутри,
а по границам зерен.
Эти трещины часто образуются уже при высоких температурах
и дают в стали явление красноломкости, подобно получающе-
муся при повышенном содержании серы и кислорода, ря . 113.
Обычные пробы на красноломкость стали (бру ок, согнутый
на 180° вгорячую после ковки пробного слиточка, палит емого ложкой
Рис. НЗ. Влияние водорода ш красноломкость стели (0,44% С):
— проба до продувки водородом- в — после продуекн водородом;
продувки водородом, охлкждоввя и нового ввгрсва
проба после
в стаканчик на площадке печи), отобранные перед выпуском, были
безукоризненны (рис. 113, а). После продувки стали -водородом пробы
начали показывать ярко выраженную красноломкость (надрывы
в месте изгиба) Продутая волоролом сталь медленно охлаждалась,
растворенный пзодород десорбировался, сталь вновь нагревалась
и шла на выпуск. Пробы на красноломкость были так же хороши,
как и до продувки водородом (рис. 113, с, б, в).
Влияние водорода в твердой стали на ее механические свойства
чрезвычайно велико и имеет большое практическое значение. Широко
распространенное мнение о хрупкости литой стали в сыром состоянии,
как об ее органическом недостатке, основано именно на недооценке
влияния водорода на механические свойства, в частности на явлении
«водородной хрупкости».
В действительности же, если в сырой (термически не обработан-
ной) литой стали низка концентрация водорода, если ему предоставлена
в течение длительного времени возможность к диффузии и удалению
в атмосферу с поверхности стали, — то механические свойства обычной
сырой литой стали не будут хзоактеоязоваться повышенной хрупкостью.
Автодом совместно с О С. Райнусом были проведены мсслечова-
иия механических свойств стали в сыром состоянии в различных усло-
виях времени и температуры (табл. 23).
В сыром литом состоянии, через 31 день после заливки, получае-
мые механические свойства удовлетворительны для элементарных
требований, а после «водородного отпуска* ^нагрев при
100—200°) характеризуются достаточно высокими показатечями ч, и в
Ударная вязкость сравнительно низка, но показатели предела
прочности и удлинения, достаточные для приемки стального литья по
многим техническим условиям—вполне удовлетворительны.
Обращает внимание известная неравномерность в показателях
£ и Ф, котовая связяяя с неравномерностью строения сы-
рой стали, рис. 1 И.
В стали, подвергнутой нормальному отжигу, фактор времени после
заливки имеет также известное значение для повышение механических
свойств (тябл. 23, № 10 н 11).
200
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Рис. 114. Строение углеродистой стиля
(0,30% С) в сыром литом состоянии через
31 день после заливки (нз образца для всиы-
таня механических свойств, показавших сь =
»=58,4 кг/лмй и 8S 17.6%). X >50
Таблица 23
Механические свойства углеродистой стали в сыром литом состоянии
в зависимости от времени после заливки (из основной «лектродуговой
печи — 0,30% С. 0,40% St 0,64% Мп; 0,028% Р; 0,010% S; 0,08% AI
присадка)
| ft образцов
Состояние образцов
6
7
8
9
10
П
Сырое состояние через I день
после валиеки .... ...
То же, через 9 дней .
То же, через 31 день
Сырое состояние, нагрев 100°
24 часа................... ...
То же, 100е — 48 часов . .
То же, 100е — 60 часов. . , .
То же, 200е — 24 часа ....
То же, 200” — 48 часов . . .
То же, 200° — 60 часов . . . .
Отжиг 900°/200;' в час; отпуск
650° через 9 дней ....
То же, через 31 пень .
34,4
34,8
33.0
31.3
33.6
33,8
33,0
32,2
31,3
33,0
35.4
58,5
56,5
59,0
58,5
59,1
57,6
57.9
57,9
57.3
12,6
17,6
13,6
22.4
12.4
12,4
11,4
19,6
22.2
22.0
25,0
21,6
21,2
27,2
29,2
13,0
13,4
31,8
22,3
28,3
12.1
25.9
32,2
31,6
34,6
42.8
Результаты этого исследования полностью согласуются с рядом известных
литературных данных. Например, некоторые на данных совещания по флокенам (66]
указывают резкое возрастание Ь и ф (BRc 10—12 до 14—18%) и ф—с 12—15 до 25—
30%) в рельсовой стал» после выдержки в течение 28 дней или иагреаа се в тече-
ние 1 часа при 100—300°. При этом содержание водорода в стали было около
2 см' на 100 в стали, а После «водородного отпуска» стало только 0,1 см* иа 100 г.
Газовыв включения в стальных отливках
201
Л. Цупрун [70] и другие исследователи определили подобные же нзкеиення
механических свойств в осевой стали при ее выдержке и нагреве до 100—200—300°.
Ими было установлено, что чем больше сечение отливки, тем больше времени необ-
ходимо ее выдерживать при 100—200° (до 60 час. при диаметре 105 мм). По расчет-
ным формулам и данным время выдержки стали пропорционально квадрату радиуса
(цилиндра) н обратно пропорционально коэфицненту диффузии водорода.
Давление водорода достигает максимума около 200° и интервал
400-* 200°, повидимому, является опасным для образования флокенов.
В отливках, как указывалось, *вместо флокенов чаще получается меж-
кристаллитный «рако-
вистый нзлом», а в раз-
рывных образцах гладкие,
светлые пятна, участки «водо-
родной хрупкости», резко по-
нижающие механические свой-
ства литой стали.
Особенно понижается пла-
стичность вследствие объемно-
напряженного состояния, обу-
словленного всесторонним дав-
лением скопившегося в дан-
ном участке молекулярного
водорода. Подобные участки
недородной хрупкости вызы-
вают забракование отливок нз
легированной высокопрочной
стали. Например, по .производ-
ственным данным сужение о
в пораженной такими участ-
ками стали понизилось до 10
и 20% против 40% в здоровой
отливке. Ликвидировать этот
вид брака удалось только уве-
личением интенсивности кипе-
ния металла при плавке и за-
меной влажной извести извест-
Рис. 115. Влияние температуры и дли-
тельности водородного отпуска ма
пластичность литой углеродистой стали,
обогащенной водородом
няком
Большое значение рассматриваемого вчияния удаления атомарного
водорода из твердой стали путем его диффузии и десорбции видно
из специальных недавно проведенных работ.
Как отмечалось выше, десорбция атомарного водорода может
протекать при нормальной температуре. Для этого процесса требуется
очень длительное время. Процесс значительно ускоряется уже при на-
греве стали на 200—300° вследствие увеличения диффузионной способ-
ности (см рис. 105). Он может быть также ускорен при очень низких
температурах, вследствие изменения растворимости водорода.
При исследовании нагревали образцы из обычной углеродистой
стали в атмосфере водорода при 1100° в течение 3 час., затем закали-
вали их в воде н подвергали испытанию после различной выдержки
при различных температурах, рве. 115 [61].
Исследование вида изломов и пластичности показало, что водород-
ная хрупкость уменьшается с течением времени и повышением темпера-
туры.
Весьма эффективно влияет повышение температуры на 200—300°
при выдержке 6—20 час Подобный отпуск необходим для повышения
202
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Таблица 24
Влияние водородного отпуска на механические свойства
литой кислой электродуголоы углеродистой стали (по проб-
ным планкам) из одной плавки, залитых без алюминия и
С присадкой 0,15% А|
Механические свойства Только нормали- зация Нормализация н водородный отпуск
А[—0 А1=0,15% А1=>0 А1«=Л,15»Л
Предел текучести кг/мм* 30,4 52,0 27,0 40,0 32.4 51.8 ?1,0 28,9 49,3 30,5 47.4 29,8 49,5 зо.о 48.4
Предел прочности зь кг/Mjfi...... Удлинение . Сужение ф,% . . .
пластичности литой стали, успокоенной большим количеством алюми-
ния. Отливки из такой стали часто не следует подвергать только одной
нормализации, без водородного 'отпуска (табл. 24).
Подобное же влиянне\удаления водорода на повышение пластич-
ности обнаружено другим иетждм, т. е. при охлаждении до очень
низких температур стали, предварительно отожженной в атмосфере во-
дорода (табл. 25).
Таблица 25
Влияние водородного отпуска и охлаждения до нмзкях температур по мехаянческяе
свойства стали (0,34% С), обогащенной одяродом
Нагрев в атмосфере водорода 5 часов при °C Дальнейшая обработка Механические свойства
предел те- кучести ол предел прочности Пд кг 1мм* сужение Ф%
удлияе- "/. *
900 36,8 66.6 21,4 40
900 15 мин. в жидком
воздгхе —197 ' 36,4 67,0 26,3 50
900 48 часов прн -J-I203 37,0 66,4 27,3 53
1100 — 33,4 62,3 17,2 31
1100 15 мни. в жидком
воздухе —197’ . . - 33,9 63,4 28,5 53
1100 48 часов прн 4-120° 32,9 62,7 26,7 51
Из таблицы видно, что понижение растворимости водорода при
очень низких температурах способствует его удалению из внутрен-
них зон изделия и повышению пластичности стали так же интенсивно,
как и увеличение диффузионной способности при повышении темпера-
туры.
5. Азот в стали
При очень высоких температурах, например, в зоне дуги электро-
печи или при сварке, молекулярный двухатомный азот диссоциирует
и адсорбируется жидкой сталью еналогнчно нодороду. Соответствую-
щая растворимость определяется квадратичной зависимостью от
давления
(N|=*
Гивоаые включения в стальных отливках
203
и от ряда рассмотренных выше факторов для водорода. Однако
вопросы влияния азота значительно проще, чем водорода. Азот обра-
вует известные, хорошо изученные и достаточно устойчивые нитриды
почти со всеми элементами состава стали. Заметная диссоциация азота
протекает при очень высоких температурах, и поэтому во многих слу-
чаях даже при продувке жидкой стали молекулярным азотом его
пузыри могут увлекать водород (см. рис. 108). Несмотря на то, что
максимальное содержание азота, определенное для обычной стали
в условиях равновесия прн давлении в 1 ст составляет 0,39% по весу
и поэтому значительно боль-
ше, чем водорода,.— фактиче-
ское содержание азота в обыч-
ной стали, даже электродуго-
вой, не превышает 0.03—
0,04%. Фактический объем
азота как газа — меньше во-
дорода из-за большего атом-
ного веса. Диффузия атомар-
ного азота через кристалличе-
скую решетку чрезвычайно
ограиичева по сравнению с во-
дородом, вследствие большего
размера атома азота.
Однако влиянием азота на
образование газовых раковин
по вине металла нельзя прене-
брегать Если не связать
азот в устойчивые хи-
мические соединения,
т. е. допустить выделение его
в свободном СОСТОЯНИИ. ТО,
аналогично водороду,
можно получить «азот-
ное кипение» стали.
Ряс. 116. Газовые раковины в отливке нз
феггоитной хромитпй стали CrV по-
лученные вследствие высокого содержа-
ния азота (0,35%)
Нитриды кремния и алюминия более устойчивы, чем нитриды же-
лез'а и марганца (стр. 185 н [71]). Поэтому присадка кремния и алюми-
ния (в пределах формулы, стр. 186) способна достаточно полно успо-
коить металл в отношении выделения свободного азота. Однако
необходимо отметить, что при высоком содержании азота и крем-
ния соответствующие нитриды частично разлагаются с образованием
свободного азота и в отливках образуются газовые раковины. Анало-
гично при применении для умельчения строения высокохромистой ста-
ли азотированного феррохрома возможно, при высокой концентрации
азота, частичное разложение нитридов хрома с выделением атомар-
ного азота и с образованием газовых раковин в отливках, рис. 116.
Как показали специально проведенные исследования [61], лишь
введение титана в сталь с любым высоким содержанием азота
полностью ее успокаивает.
Ликвидация опасности выделения свободного азота объясняется
чрезвычайной устойчивостью нитрида TiN. Поведение титана как успо-
коителя по отношению к другим нитридам, в частности Fe«N, «ожет
быть уподоблено поведению алюминия как раскислителя по отношению
к FeO и другим окнелам
Влияние азотн в твердой стали в связи с процессами нитрирования
(азотирования поверхности отливок) и дисперсионного твердения (спе-
циальной термической обработки) здесь не рассматривается.
Ю4
Читепные свойства и первичная кристаллизация стали
6, Окись углерода, двуокись углерода и метан в стали
В настоящее время существуют три теории образования и выделе-
ния СО нз металла-,
1) выделение СО только вследствие изменения раствори-
мости аналогично Н2 и N2:
2) выделение СО только в результате реакции FeO + С, идущей
в жидком и затвердевающем металле — так называемая «реакцион-
ная теория»;
3) выделение СО как в результате понижения растворимости, так
и реакций, идущих в металле, — «компромиссная теория».
Нет сомнения в том, что растворимость СО в жидкой стали очень
низка, так как иначе не могли бы интенсивно протекать процессы обез-
углероживания в производстве стали по реакции
FeO + C^Fe + COt.
Поэтому следует считать, что в металле для фасонных отливок,
Который должен быть всегда полностью раскислен и успокоен, выде-
ление СО имеет -место в основ
ном вследствие понижения ра-
створимости СО или каких-
либо химических соединений
СО с элементами стали.
Главнейшими газа-
ми, выделяющимися из успо-
коенного металла, являют-
ся водород и азот, аза-
Каполнение время послерозливни мин.
изложении
Рис, 117. Состав гавов. выделяю-
щиеся прн разливке в охлаждении
кипящей, частично успокоенной
к полностью раскисленной и успо-
коенной стали. Кипящая—0,08% С;
Si — сэеды; полуспокойчая —
0,10% С; кремний в алюминий
присажены в небольшом количестве-
скокойиая — 0Д0% С; 0,1% Si;
0.05% АГ
тем уже СО,
Из металла же, не полно-
стью раскисленного и успо-
коенного, выделяются преиму-
щественно СО и Н„, причем
выделение СО обязано ходу
реакции FeO + С внутри ох
лаждаюшегося металла.
Это положение доказы-
вается фактическими анализа-
ми газов, произведенными че
рез некоторые промежутки
времени при наполнении
формы и охлаждении в ней
нераскнеленной и неуспокоен
ной и полностью раскисленной
и успокоенной стали, рис, 117,
Известное количество СО,,
и СН, в газах связано с вто-
ричными реакциями, например:
2СО + 2Нг СН, + СО, +
+ Q-
Эти реакции имеют место
в газах уже после их выделе-
ния нз металла и, будучи экзо-
термическими, протекают при
понижении температуры.
Газовые включения в стальных отливках
205
7 Меры борьбы с газовыми раковинами и включениями в отливках
по вине металла
Меры борьбы с газовыми раковинами и включениями в отливках
по вине металла заключаются в следующем:
1) подбор шихтовых материалов с большим отноше-
нием объема к поверхности и минимальным содержанием газов и окис-
лов. а присадочных материалов с минимальным содержанием влаги;
2) быстрое плавление для того, чтобы уменьшить длитель-
ность омывания газами нагретого до высоких температур металла;
3) интенсивное и достаточно длительное кипение под шлаком
в процессе обезуглероживания для удаления Н2 и N2;
4) предохранение газовой атмосферы печи от чрезмерно высокой
концентрации паров воды и углеводородов, обогащающих
металл водородом;
5) .возможно более полное раскисление стали путем приме
нения для ответственных отливок комплексных раскислителей, сили-
кокальция и, при повышенном содержании азота, ферротитана;
6) предохранение раскисленного и частично успокоенного в печи
металла от перегрева и длительной выдержки, чтобы не
повысить концентрации растворимых газов;
7) «дразнение» металла в печи сухими деревянными шестами
для того, чтобы выделяющиеся нз них малорастворнмые газы механи-
чески увлекли за собой Нг и Na из металла;
8) проведение успокоения металла кремнием и алюминием,
причем их присадку следует произвести по возможности позже
и после резкого снижения температуры металла для удаления зна-
чительного количества растворенных газов;
9) выдержка металла в ковше для удаления механически
включенных и просто растворенных газов;
10) получение металла с хорошей жидкотекучестью и, по
возможности, низкой вязкостью;
11) получение отливок по возможности более плотного строения
с минимальным количеством неметаллических включении.
12) в особых случаях продувка стали благородными газами нтн
охлаждение ее в электропечи до начала затвердевания с последующим
быстрым нагревом для выпуска (метод «предварительного затвердева-
ния» или «вымораживания»).
Б. ГАЗОВЫЕ РАКОВИНЫ В ОТЛИВКАХ, ОБРАЗОВАННЫЕ
ГАЗАМИ ИЗ ФОРМЫ
Борьба с газовыми раковинами по вине металла должна вестись
не только по линии предотвращения образовании газовых пузы-
рей в металле, но н по линии предоставления нм максимальной возмож-
ности всплывания в отливке. Соответствующие мероприятия:
понижение скорости заполнения формы, повышение
температуры заливки, уменьшение и регулирова-
ние скорости затвердевания отливки, правильные
методы подвода металла и заливки, конструкция
отливки и т. п. — относятся к вопросам технологии формы Эти ме-
роприятия должны быть проведены также н в отношении тех газовых
пузырен, которые попадают в металл отливки извне — из формы.
При анализе причин, вызывающих образование газовых включений
по вине формы, необходимо иметь в виду основную особенность: I) сы-
ры х форм, заключающуюся в том, что нх влага является источником
206
Литейные свойства и первичная кристаллылвцил стали
водорода, попадающего в металл; 2) кокильных форм, «вклю-
чающуюся в том, что металлические стенки их, выполняющие обыч-
но наружные части отлнвки, обладают нулевой газопроницае-
мостью. Основными источниками газов в форме являются:
I) воздух, инжектируемый литниковой системой;
2, воздух и газы, вытесняемые металлом из заливаемой по-
лости формы;
3) влага формовочных и стержневых смесей и адсорбированная
на стенках формы;
4) газотворные составляющие смесей.
Основные мероприятия борьбы с газовыми раковинами в отливках
по вине этих источников сводятся к тому, чтобы соответствующие га-
зы образовывались в минимальном количестве или, во всяком случае,
не попадали в жидкий металл при заполнении формы и затвердевании
отливки. Борьба с газовыми раковинами по вине формы трудна.
1. Инжектирующее влияние литниковой системы
При заливке формы металл, поступающий из чаши в стояк (в пер-
вый момент заливки) или из незаполненной литниковой воронки (во все
время заливки), создает инжектирование воздуха. Этому может
I Питатель
Рис 118. Газовые (воз-
душные) пузыри в по-
токе металла
способствовать цилиндрическая фор-
ма стояка, в котором благодаря 'металло-
динамическому давлению скорость металла
внизу больше, чем вверху. В этом случае воз-
дух засасывается вместе с металлом в форму,
образуя газовые пузыри. Кроме того, вследст-
вие большой поверхности соприкосновения
стали с воздухом происходит некоторое окис-
ление ее и выделение реакционных газов.
Даже при сифонном подводе возможно увле-
чение потоком металла воздуха в виде газо-
вых пузырьков, рис. 118.
Для уменьшения количества инжектируе-
мого воздуха необходимо иметь тормозящую
и замкнутую литниковую систему, т. е. дер-
жать литниковую чашу и всю литниковую
систему заполненной металлом.
2. Влияние воздуха и газов заливаемой полости формы
Воздух и газы из полости формы, при ее заполнении металлом,
должны удаляться. Это удаление должно быть обеспечено наличием
выпоров и 'прибылей в отливке или газопроницаемостью формы.
При заливке формы металлом, объем вытесняемого воздуха силь-
но увеличивается (в 6—1 раз) вследствие повышения температуры.
Несмотря на это, возможность удаления воздуха из полости формы не
представляет трудностей прн применении открытых прибылей. При за-
ливке с потайными -прибылями или вовсе без прибылей необходимо
применять специальную вентиляционную систему, иначе образуется воз-
душно-газовый мешок в полости формы, который не заполнится ме-
таллом и -получится брак отлияки, <недолив».
Во всех случаях скорость наполнения формы никог-
да ие должна превышать скорость удаления гаэо-в
и воздуха из формы. Если наполнять форму металлом со ско-
ростью большей, чем эта критическая, го можно получить явление ме-
ханического захлестывания воздуха в полости формы заполняющим
ее металлом
Газовые включения в стальных отливках
207
Например, автором отливался брусок с двусторонним закруглением
для исследования влияния кристаллизации. Он был залит из ручного
ковша очень быстро, и, как только показался металл в выпоре (брусок
отливался без прибыли), заливка сразу была прекращена. Вынутый из
опоки брусок имел вид совершенно здорового изделия (рис. 119, а).
При изломе же в углу бруска и при продольном разрезе была об-
наружена газовая раковина, идущая по всему телу бруска так, что он
сказался почти совершенно пустым (рис. 119,6). Стенки раковины были
несколько окислены в некоторых местах из-за проникания воздуха
и совершенно гладкие.
Существуют различные представления о скорости разливки и за-
полнения форм. Необходимо произвести строгое разграничение между:
i) общей скоростью разливки, выражаемой количеством
поступающей из ковша стали Q кг/сек, зависящей от диаметра и кон-
струкции стаканчика в ковше и высоты стали в нем;
2>весовой скоростью заполнения формы в кг/сек,
обычно-равной Q кг/сек;
3) весовой скоростью заполнения данной детали
в форме, равной — кг/сек а зависящей, при данной весовой скоро-
сти заполнения формы Q, от п, т. е. числа деталей в форме,
4) линейной скоростью движения стали по литнико-
вой системе и особенно й устье питателей при «полпенни формы
208
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
U см/сек. зависящей от конструкции и сечения элементов литниковой
системы;
5) линейной скоростью подъема стали в форме по
высоте отливки UD см/сек, зависящей при данной весовой скорости за-
о
полнения детали — кг/сек от конфигурации отливки.
Для стальных отливок решающее влияние на качество в отноше-
нии газовых раковин (и неметаллических включений) оказывает линей-
ная скорость металла при поступлении в форму и особенно линейная
скорость подъема стали в форме по высоте отливки.
Линейная скорость поступления металла в форму должна
быть по возможности низкой для того, чтобы поток металла не имел
вихревых движений, что облегчает выход газов и не разрушает стенок
формы.
С точки зрения удаления газов из металла и других факторов по-
лучения здоровой отлнвки скорость подъема стали в форме так-
же должна быть минимальной. Однако медленный подъем стали
при сифонной заливке формы вызывает образование пленки из затвер-
девшего металла и окислов на поверхности подымающейся стали,
«заворот» этой пленки, образование «спаев» и поражение отливки
газовыми рвковинамн. Кроме того, при чрезмерно медленном наполне-
нии формы термоустойчивость формовочной и стержневой смесн может
оказаться недостаточной, произойдет ях разрушение и образование
«пленок» и «наплывов» на поверхности отливки. Наконец, медленное
заполнение часто недопустимо для отливок, подвергаемых одновремен-
ному затвердеванию.
Таким образом, нижний предел скорости заполнения формы по
высоте желательно иметь по возможности большим. Он устанавли-
вается в зависимости от образования газовых раковин из-за заворотов
и спаев и неметаллических включений нз-за разрушения смесей. Верх-
ний предел скорости заполнения устанавливается в заввсимости от ско-
рости удаления воздуха и газов из долости формы и механической
стойкости смесей.
Скорость заполнения кокильных форм должна быть выше, чем
песчаных. При этом, чем тоньше отливка, чем ниже температура ме-
талла и кокиля, чем больше вязкость металла (легированные стали),
тем больше должна быть скорость заполнения формы.
Можно рекомендовать, на основе многочисленных эксперименталь-
ных данных, скорость подъема стали в пределах 20—40 мм/сек. Лишь
для некоторых отливок, после тщательной проверки, допускается ско-
рость ниже 20 мм/сек. Для легированной стали скорость подъема
должна быть более высокой, чем для углеродистой.
Скорость подъема для отлнвки высотой Я определяется
Ц) = см сек, где z — время заполнения формы, определяемое расче-
том, приведенным ниже.
Благотворное влияние понижения скорости заполнения формы на
облегчение удаления газов из стали (видно из исследования А. М Сама-
рина и Л. М. Новик (табл. 26).
С точки зрения влияния на образование газовых пузырей важно
только количество газов, выделившееся до полного затвердевания.
Соответствующие максимумы (количества) выделившегося по данным
табл. 26 газа в течение первых 7—8 мин. после заливки составили для
1-го слнтка, медленно заливавшегося, 56 л, а для 2-го слитка 33 л,
т. е. почти вдвое меньше.
Газовые включения в стальных отливках
20У
литниковой
форме по
скорости за-
fi отноше-
иет линей-
линейная
j должна
ла не имел
кт стенок
Таблица 26
Котичвство я состав газов, выделившихся при заливке, затвердевании и охлаждения
слитков стали ЭИ 178 (основная электродуговая сталь —слиток весом 1200 кг [6SJJ
1
Кторов по-
форме так-
^>чк стали
из затвер-
LI стали,
отливки
каполне-
1 может
юванне
денное
|ремен-
1МЫ по
навли-
юротов
Верх-
ко-
<ой
чем
ме-
im),
кль-
ишь
:ко-
<а
:я
3. Влияние влажности формы
Влияние влажности смесей и стенок формы на образование газовых
раковин очень велико, причем необходимо различать влияние влажно-
сти формовочных смесей и влажности формы как таковой. И при сухих
формах возможна адсорбция алаги на стенках их, так же, квк и на
ооверхности сухих стержней, установленных в сырые формы.
Возможна также, при длительной стоянке сухих форм в цеху пе-
ред заливкой, некоторая диффузия влаги из особо глубоких или средин-
ных частей формы, ие вполне просушенных, к стенкам формы. Напри-
мер, при стоянке формы около 4 час, содержание алаги в облицовоч-
ном слое смеси поднялось с 0,3 до 0,8—1,5%. Соответствующие же
расчеты показывают, что достаточно уже 1 % влаги в облицовочном
слое для того, чтобы количество выделяющихся паров воды составля-
ло около 2/з объема металла [51].
Поэтому заливка в сырые формы возможна только в том случве,
если огромному количеству выделяющихся паров воды предостав-
ляется полная возможность удаления через прибыли, выпоры илн вен-
тиляционные каналы формы. Правильная вентиляция формы
(прокалывание «душниками», «накольниками» и т. п.) имеет боль-
шее значение в этом случае, чем газопроницаемость
формовочных смесей. Такая вентиляция дает возможность
получить здоровую отливку даже при использовании отработанных
формовочных смесей с очень низкой газопроницаемостью без обычного
освежения.
При недостаточной вёнтнляции формы и наличии влаги на ее стен-
ках на поверхности отливки пояэляются в большом количестве мелкие,
гонкие раковинки, дающие «ситовидную пористость». Ана-
логичный брак может дать и металл с таким критическим содержанием
водорода, которое не создает еще появления «дикого» металла, но
вызывает интенсивное выделение водорода при соприкосновения со
стенками формы из-за резкого охлаждения и взаимодействия с влагой.
Ситовидная пористость в стальных отливках.
Часто встречающийся брак по ситовидной пористости особо вреден
тогда, когда мелкие пузыри не выходят на поверхность отливки,
а вскрываются в виде «сыпи» после отжига (снятия окалины) илн при
механической обработке. Ситовидная пористость редко встречается
14 Заказ 79. Ю. А. Невиден
Sit)
Литейные Свойства и первичная крисТа влизация стали
в отливках массивных или залитых ® сухие формы. Она поражает
обычно отливки тонкостенные, с малым отношением объема и поверх-
ности, заливаемые в сырые формы.
Из многочисленных причин, вызывающих появление ситовид-
ной пористости, и в связи с этим возникших многочисленных теорий
ее образования наибольшее значение имеют влажность формы и содер-
жание водорода в стали. Более вероятное объяснение образования мел-
ких газовых раковин под тонкой затвердевшей коркой стали, залитой
в сырую форму, можно дать на основе следующих соображений.
При заливке формы образуется тонкая затвердевшая корка, она
окисляется воздухом н парами воды, испаряющимися нз близлежащих
к отливке слоев формовочной смеси, нагревающимися до высоких
температур. Образующийся при этом атомарный водород (по реак-
ции Fe + Н2О FeO + 2Н) диффундирует сквозь затвердевшую корку
в жидкий металл отливки. Он либо непосрадственно образует газовый
пузырь, ассоциируясь в молекулы при столкновении с включениями
стали, либо вза имодействует с окнслами стали, образуя пузыри Н2О.
При быстром затвердевании отливки, появившиеся пузыри не успевают
всплыть, застревая в виде газовых раковин, расположенных обычно
перпендикулярно поверхности отливки (по потоку тепла) [61].
Для борьбы с браком по ситовидной пористости при заливке
в сырые формы необходимо обращать внимание: 1) на минимально до-
пустимое в сырой формовочной и стержневой смеси содержание в л а-
ги (не выше 5%); 2) хорошо действующую вентиляционную
систему формы; 3) минимальное содержание водорода в стали
и 4) возможно полное ее раскисление сильными раскислителями,
образующими устойчивые окислы (алюминий) или, что еще лучше, гид-
риды (титан, кальций и, возможно, ванадий).
При заливке кокильных форм необходимо производить их подо-
грев до 60—80°, так как прн длительном стоянии форм в ожидании
заливки на их стенках неизбежно осаждается влага
4. Влияние газотворных составляющих формы
Связующие добавки (растительные и минеральные масла, суль-
фнтвый шелок и т. п.) являются сильными газотворными веществами.
Даже глина, вводимая в качестве связующего, выделяет известное ко-
личество конституционной влаги при нагреве до достаточно высоких
Температур.
Меры борьбы сводятся к введению в формовочные смеси возмож-
но меньшего количества газотворных связующих доба-
вок и к обеспечению отвода этих газов через прибыли, выпоры
и вентиляционные каналы формы и стержней.
Особое значение в оценке газотворной способности связующих
имеет то количество газов, которое выделяется ими в первые момен-
ты воздейстаия температуры. Чем меньше это количество газов, чем
инертнее они выделяются во времени прн данной высокой температуре.
Тем лучше, так как затвердевшая корка металла уже не пропустят
эти газы внутрь отливки.
Можно считать, что сульфитный щелок является наименее га-
зотворным связующим 11 наиболее инертным по интенсивности выде-
ления газа, рис. 120 [72].
На этом основании сульфитный щелок широко применяется в ка-
честве связующей добавки для стержней и обмазок кокильных форм,
тем более, что его применение имеет экономическое преимущество по
сравнению с другими, более дефицитными материалами. Известным
недостатком сульфитного щелока является его гигроскопичность.
Газовые включения в стальных бтлиЬкйх
si i
Для того, чтобы в полость формы, заливаемую металлом, попа-
дал минимум газов, поверхность стержней и форм часто покрывают
газонепроницаемым н нега э отпор н ым слоем маршаллита
(молотого чистого кварца, играющего также роль противопригарной
краски). Образующиеся газы стер-
жня лри этом покрытии будут уда-
ляться через вентиляционную си-
стему стержня в знаки, не поражая
отливку. Этот прием работы необ-
ходим для особо чувствительных
к образованию газовых раковин от-
ливок, т. е. сложной конфигурации
с закрытыми внутренними полостя-
ми, заливаемых из легированной
стали.
Влияние обмазок и по-
крытий кокиля. Обмазки и по-
крытия стенок кокиля в зависимо-
сти от своего состава могут давать
либо большое количество газов
(обезвоженная каменноугольная
смола, лак, мазут, копоть), либо
Преет,еевн.
Рис. 120. Газотаорная способность
различных связующих добавок прн
выдержке НП0°
сравнительно незначительное (маршаллнт с сульфитным щелоком или
жидким стеклом, глина, известковое молоко и т п).
Выбор покрытий зависит от многих факторов, определяемых ус-
ловиями заливки н конфигурацией отливки.
Следует отметить, что углистые и углеводородные покрытия,
дающие газовую рубашку низкой теплопроводности между жидким
металлом и стенками формы, создаю! одновременно восстанови-
тельную атмосферу в полости формы. В этой атмосфере сталь ме-
нее подвержена окислению, что даже при сравнительно высокой кон-
центрации водорода в ней уменьшает опасность образования газовых
раковин в отливке.
Кроме того, газовая рубашка сохраняет!' жидкие кромки у пленки
окислов на поверхности подымающейся в форме стали. Благодаря
этому она предохраняет пленку от заворотов и образования соответст-
вующих газовых ракован.
Эти положительные факторы влияния в полости формы газовой
фазы, создаваемой покрытиями, могут быть настолько велики, что
перевесят опасность поражения отлнвки газовыми включениями непо-
средственно из покрытий. Поэтому, если не нужно особо резко пони-
жать теплопроводность кокиля специальными огнеупорными обмазками,
можно широко применять газотворные покрытия.
Очевидно, что при этом надо обращать особое внимание на венти-
ляцию формы и на тщательность проведения операции покрытия
(на нагретый до 80—500й кокиль, без подтеков, равномерно, тонким
слоем).
Из огнеупорных обмазок с минимальной газотворностью наиболее
пироко применяется маршал тит иа сульфитном щелоке. Подобные
обмазки обладают низкой теплопроводностью. При нанесении достаточ-
но толстым слоем (до 2 и даже 8 мм) они уменьшают скорость затвер-
левания стали и, следовательно, влияют б таком же направлении
иа уменьшение газовых раковни в отливках, как и подогрев кокилей.
Отдельные включения карбонатов и углистых добавок в смесях
могут при зативке формы металлом образовать газы (СО» при разно-
£13 Литейные свойства и первичная кристаллизации стали
женин СаСОз и т. п.), дающие местное поражение отливки едини ч-
ЦЫД1И газовыми раковинами, рис. 121.
Необходимо при приемке формовочных сме-
сей следить за цх равномерностью. При приме-
нении угля, опилок и т- п. в формовочной смеси
эти добавки в облицовочном ело© при сушке
должны полностью выгореть,
5. Влияние газопроницаемости и плотности
Рис. 121. Образом
ние местной газовой
раковины из частич-
ки угля е формовоч-
ной смеси
набивки формы к стержней
Следуют отлич,ать г азо прении а
е-мость формовочных материалов в
смесей от газопроницаемости соб-
ственно формы, рассматриваемой как
комплекс из; уплотненной в различной степени
облицовочной м наполнительной смеси, имею-
щей искусственно сделанные вентиляционные
каналы; стержня, изготовленного из стержневой
смеси и имеющего свою вентиляцию; выпоров и прибылей и, наконец,
из опоки или кокиля
Уже указывалось, что формы, заливаемые без прибылей, должны
иметь относительно высокую газопроницаемость своих стенок и, в
частности, высокую газопроницаемость формовочных смесей. Формы,
заливаемые с прибылями, должны иметь, в идеале, нулевую
газопроницаемость на поверхности раздела
металл — форма. Тогда образующиеся в формовочных смесях газы
не попадут в полость, заливаемую металлом, и, следовательно, не
вызовут опасности образования газовых раковин в отливке Однако
в том и другом случае проницаемость формы должна
прогрессивно увеличиваться но мере удаления
ит поверхности раздела металл — форма, так лак хотя
температура образующихся газов уменьшается, но абсолютное коли-
чество их увеличивается.
Особенно важно отметить, что газопроницаемость
наполнительной смеси должна быть выше, чем
облицовочной, а внутренней зоны стержней выше,
чем наружной. Этому фактору еще до сих пор не придается
в. производственных условиях необходимого значения. Часто считают,
наоборот, что максимальной проницаемостью должна обладать обли-
цовочная смесь. Приведенные соображения объясняют также розмож-
ность получения здоровой отливки при заливке в кокиль, имеющий
нулевую газопроницаемость своих стенок. При кокильном заливке не-
обходимо уделить особое внимание правильному построению вентиля-
ционной системы стержней и самого кокиля.
При этом необходимо учитывать следующие положения,
1 Газы всегда стремятся подниматься вверх, в особенности
вследствие своего нагрева. Поэтому только в виде исключения
допустим отвод газов из стержня вниз, причем необходимо предусмо-
треть соответствующие газоотводные отверстия в нижией части
формы или кокиля. Такую форму перед заливкой нужно устанавли-
вать не непосредственно на полу литейной, а на опорах, дающих
свободное пространство между формой и полом.
Еще более целесообразно при проектировании кокилей предусмот
треть на нижней полости их специальные ребра — полки. на которых
будет покоиться форма при заливке (см. рис. 321).
Газовые включения в стальных отливках
213
2. Наряду с мелкими вентиляционными каналами должен быть
большой, собирательный канал, проходящий по всей длине стержня
и выходящий в знаки. Однако даже прн учете указанных особен-
ностей принудительный отвод газов вниз, несмотря на развитую вен-
тиляционную систему, никогда не сможет так хорошо обеспечить уда-
ление газов из полости формы, как естественный отвод газов вверх
«з стержня. Поэтому в практике, при невозможности из-за конфигу-
рации отливки отвода газов из стержня вверх (например, в литых
снарядах), обычно покрывают стержень газонепроницаемой краской
(маршаллитом). Это мероприятие предохраняет полость формы от про-
никания в нее газов из стержня, но зато возлагает всю задачу удале-
ния газов из полости формы исключительно на прибыли, выпоры
и вентиляционные каналы формы
Газопроницаемость формы и стержней может
быть увеличена накалыванием «душником» (иглой) многочисленных,
равномерно расположенных, тонких вентиляционных
ходов; яри этом газопроницаемость стержней, как правило, должна
быть выше, чем формы
Следует отметить в качестве характерной особенности для сталь-
ного литья, что даже при правильно сделанной прогрессивной прони-
цаемости формы и стержня возможна местная неравномераая плот-
ность набивки и неравномерная проницаемость. Если этот недостаток
имеет место вблизи поверхности раздела металл — форма, в отливке
получатся местные газовые раковины и ситовидная пористость
Недостаточно утрамбованный (рыхлый) участок у поверхности
форчы создает местный избыток воздуха между частицами формовоч-
ной смеси Промежутки между эепнамн формовочной смеси, заполнен-
ные воздухом, составляют выще 25% объема всей смеси. Если такой
плохо утрамбованный участок окружен хорошо утрамбованной смесью
более низкой проницаемости, то при заполнении формы воздух;
расширяющийся при нагреве, проникнет в полость формы и возни-
кает опасность образования газовой ракованы. Неравномерное уплот-
нение особенно легко получается при применении для форм, залива-
емых «в сухую», формовочных смесей с зернами угловатой, не круг-
лой формы.
Еозможпо также отметить, что' для форм, заливаемых «в сырую»,
может получиться очень большое и местное уплотнение смеси
v стенки формы при применении металлической модели. В таком
месте получается увеличение относительного объема влагп и образа
панне газовых раковин в отливке В практике известны случаи, когда
отливки давали сплошной брак по этой пречине, если формовались
по жесткой металлической модели, — и здоровые изделия при фор-
мовке по деревянной модели. Поэтому необходимо перед набивкой
формы, особенно перед пескометной, плотной набивкой, наносить
тонкий слой песка на поверхность металлических моделей просеива-
нием через сито. Этот слой песка на поверхности модели создает
упругую прослойку, уменьшающую чрезмерное переуплотнение
в отдельных местах формы Отмеченная неравномерность проницае-
мости и уплотнения формы является также одной из причин, вызы-
вающих «ситовидную пористость».
6. Влияние подвода металла
Подвод металла и заполнение формы оказывают большое влияние
на поражение отливки газовыми раковинами. Бурное, турбулентное
заполнение формы и создание противотока между поступающим
214
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
металлом и выделяющимися газами вызовут опасность образования
газовых раковин в отливках, рис. 122.
Отливка шарового сальника (детали судового механизма) имеет
малую толщину стенок — 15 мм. При подводе питателя во фланец, под
прибыль, металл наполняет сальник сверху, распределяясь дождем
по всей полости формы. Газы и воздух поло-
сти формы стремятся выделиться «верх По-
лучается противоток: сверху непрерывно
поступает металл, снизу вверх интенсивно
подымается газ.
При быстром наполнении такой тонко-
стенной отливки газы не успевают удалиться
из формы. Уменьшить скорость заполнения
формы нельзя из-за ее тонкостенности. В ре-
зультате отливка оказывалась настолько по-
раженной газовыми раковинами по всему се-
чению, что можно было бы по наружному
осмотру даже подозревать заливку «дикой»
сталью.
Достаточно было изменить читняк. как
Ряс 1И. НеприяляпЛ УИМНО пунктиром иа рис 122. т е. подвести
подвод литняка в от- металл снизу отливки, обеспечить этим отвод
ливне шарового саль-
ника- Пунктиром пока-
зан правильный подвод
металла
газов над металлом, а не в противоток с
ним, — чтобы получить вполне здоровое изде-
лие.
Если форма имеет большие поверхности,
расположенные горизонтально, то ее следует заливать наклонно, рис. 123.
В газовых раковинах отливок, залитых сверху, обнаруживают
иногда шарики металла, так называемые «корольки». Они образу-
ются вследствие того, что металл при
разбрызгивается, образует шаровид-
ные, быстро затвердевающие капли,
окисляющиеся с поверхности. При по-
следующем соприкосновении с посту-
пающим металлом эти шарики могут
в нем раствориться. Если же окислы
падении в форму с высоты
Ряс. 124. Заплесх » отлив-
ке из легированной стали,
залитой в кокиль сверху
X 88
Рис. 123. Неправильный (слева) в правильный
(«проза) метод за-игеки наделяя с большой
поверхностью (влита)
на поверхности шарика вступают в реакцию с углеродом или водоро-
дом металла, то выделится внезапно большой объем газа, образуются
пузырь и газовая раковина, внутри которой будет находиться шарак.
Образование «корольков» относится к недостаткам зативки форм
сверху.
Специфическим видом брака кокильных отливок при заливке
сверху является обрхзование «з а п л е с к о в» — несварившихся слоев
металла, включающих часто газовые раковины, рис 124
Гоэоеем в&ючения в стальных отливках
215
Для ликвидации заплесков, легко получающихся и кокильных
формах вследствие быстрого затвердевания на их стенках тонких
слоев стали, необходимо ив только создавать по возможности более
спокойные условия заполнения, но и повышать скорость заливки
формы. Она, конечно, не должна превышать скорости удаления газов
из полости формы, заливаемой металлом.
Однако и при сифонном наполнении крупных форм возможно обра-
зование IM е с т н ы х газовых раковин по пути движения металла,
на некотором расстоянии от четья питателей Первая порция металла
из литника располагается на нижней большой поверхности формы
небольшим, тонким слоем, который быстро затвердевает я окисляется.
Газовые пузыра не успевают выделиться, застревают в этих слоях.
Через некоторое время поступающий в форму металл уже покрывает
эти местные затвердевшие тонкие «блинообразные» слои и свари-
вается с ними. Однако в отливке уже получились крупные, отдельное
местные поверхностные газовые раковины.
Спокойное движение металла в литниковой
системе и при наполнении формы является основ-
ным условием дтя уменьшения газовых раковин в
отливках. Необходимо, чтобы скорость потока металла по возмож-
ности мало превышала критическую скорость движения, определяемую
по числу Рейнольдса. Как указывалось выше (стр. 69). для этого
целесообразно применять «карандашную» литниковую систему из
многочисленных питателей малого сечения.
7. Влияние температуры заливки
Температура металла резко влияет на образо-
вание газовых раковин в отливках. Холодный металл,
с высокой вязкостью, уменьшает скорость всплывания газовых пузы-
рей (формула Стокса, стр. 47). Уже указывалось, что повышение тем-
пературы даже углеродистой
стали может вызывать заметное
понижение вязкости, до 20^, что
имеет большое практическое зна-
чение, особенно для легирован-
ной стали.
Сплошное поражение отлпв-
ки вагонеточного колеса круп-
ными газовыми раковинами,
вследствие заливки хотя полно-
стью раскисленной и успокоен-
ной, но холодной сталью, пред-
ставлено на рнс. 125.
Результаты исследования
автором большого количества за-
литых в -кокиль отлнибк из хро-
мистой стали также иллюстри-
руют роль ДОСТАТОЧНО ВЫСОКОЙ Р1|С 125 Газовые раковины в отливке
температуры заливки, рис. 126. вагонеточного колеса вследствие низкой
Во избежание образования температуры заливки
газовых раковин по вине формы
необходимо заливку, особенно кокильных форм, производить при высо-
кой температуре. С другой стороны, высокая температура металла,
вызывая повышение растворимости газов, способствует образованию
газовых раковин по вине металла.
216
Литейные свойства и первачная кристал-овация стали
Высокая температура металла при разливке вызывает также уве-
личение объема усадочных раковин, опасность образования горячих
трещин и напряжений в отливке, ухудшает условия кристаллизации.
Ликвации н т. д. Кроме того, при заливке кокильных форм чрезмерно
горячей сталью в течение нескольких секунд пронсхопят разгар
и разъедание формы.
Поэтому в каждом отдельном случае необходимо индивидуально
оценивать возможность применения как высокой температуры заливки
с точки зрения борьбы с газовыми рако-
винами, так и низкой скороств заполне-
ния формы для борьбы с ДРУГИМИ Д'»-
фектами отливки.
Чем первороднее шихта и чем мень
ше поглощение газов во время плавки,
тем выше может быть температура ме-
талла и разливки Чем тоньше отливка,
чем быстрее затвердевает металл в фор-
ме— тем выше должна быть темпера-
тура металла. Для легированной стали,
обладающей большой вязкостью, темпе-
ратура заливки должна быть выше, чем.
для углеродистой стали.
Следует подчеркнуть, что нижний
предел температуры разливки
стали устанавливается весьма часто,
ориентируясь, при обеспечении заполняе-
мости формы, только на условия обра-
зования газовых раковин. Во
Рис. 126. Влияние температу-
ры начала рааливки хроми-
стой стали па брак кокильных
отливок (каждая точка диа-
граммы — среднее HS н«-
колькнх плавок)
многих случаях, как правило, для тонко-
стенных и кокильных отливок оптимальным условиям кристаллизации
и образования усадочных раковин придается подчиненное значе-
ние. Такие отливки следует заливать горячо.
8. Влияние материала и температуры формы
Температуропроводность и температура стенок формы, опреде-
ляющие скорость затвердевания отливки данной конфигурации, также
влияют на образование газовых раковин при прочих равных условиях
Действительно, объем газов, выделяющихся при охлаждении, зависит
от их концентрации и пиня лишня температуры, а не от скорости охлаж-
дения. Возможность же всплыйанйя образующихся пузырей уже зави-
сит от скорости затвердевания отливки.
В тонкостенных отливках, особенно заливаемых в металлические
формы, затвердевание происходит настолько быстро, что выделившиеся
газы застревают в виде мельчайших раковин (пузырьков), иногда даже
не различимых невооруженным глазом.
В более массивных отливках, подвергающихся с Наружной
стороны охлаждающему действию металлической формы, я с в утрен-
ней — песчаного стержня, часто замечаются газовые раковины, распо-
ложенные в той части сечения отливки, которая охлаждалась под вли-
янием кокиля. Из быстро затвердевших наружных дон отливки газовые
пузыри не успевают всплыть. Это явление было давяо уже замечено
Д. К. Черновым, рис. 127.
Для борьбы с этим видом брака сталь для кокильного литья необ-
ходимо выплавлять с более низким содержанием газон, чем для заливки
в песчаные формы Подогрев форм и покрытие стенок кокилей мало-
Головые миопии в стальных отливках _________W
теплопроводными обмазками. чмёЙьЬаютнми скорость затвердевания,
также являются радикальной мерой борьбы. Подогрев форм влияет
аналогично перегреву металла, однако более благотворно, так как не
вызывает неизбежного прн перегреве стали повышения содержания
газов в ней
Для массового производства мелкого кокильного литья подогрей
форм до 200—300° практи-
чески вполне осуществим и
дает удовлетворительные
результаты. Во многих слу-
чаях полезна заливка в го-
рячие сухие песчаные фор-
4ы.
9. Влияние жеребеек
и холодильников
Серьезными причинами
образования в отливке га-
зов и газовых раковин яв-
ляются жеребейки,
внутренние и наруж-
ные холодильники.
Достаточно небольшой
окисленности, чтобы при за-
полнении формы металлом
Рис 127. Газовые раковины только со сто-
роиы металлических стенок формы. Их от-
сутствие со стороны песчаных стенок (Соб-
ственноручный рисунок Д. К Чернова)
окислы вступили во взаимо-
действие с углеродом ме-
талла, образуя СО в огром-
ном объеме и вызывая га
зовые раковины и порис-
тость отливки.
Для борьбы с этими газовыми раковинами необходимо тщательно
чудить, оцинковывать, хромировать или покрывать алюминием жеребей-
ки и Холодильники, ни в коем случае не допуская на них следов
окисленности.
С другой стороны, необходимо требовать от конструктора такой
конструкции отливки, которая позволяла бы держать стержни
на з н а к а х, а не на жеребейках. Это тем более необходимо, что
даже при совершенно чистых жеребейках или холодильниках возможно
адсорбирование влаги иа них или выделение газов при соприкоснове-
нии их с жидким металлом.
Это явление объясняется, как и при соприкосновении очень горя-
чего металла с холодными стенками формы, резким охлаждением метал-
ла и, следовательно, внезапным выделением большого объема газа.
Замечено, например, что если в ковш с горячим чугуном или сталью
забросить какой-либо холодный стальной или чугунный предмет, даже
сухой, то вокруг него начинается интенсивное кипение.
10. Влияние конструкции отливок
Конструкция отливок может сильно влиять на образование газо-
вых раковин даже в том случае, если она позволяет произвести
заливку формы без установки жеребеек или холодильников.
Неправильная' конструвиия бандажа миксера изображена на
рис. 128 (слева). Газам, стремящимся выделиться кверху, будут препят
ствовать прямые углы формы, вследствие чего появятся газовые рако
Литейные своЛства и вврвачная крясгаллиаация стали
вины в отливке. Конструкция рис. 128 (справа), прн тех же габаритных
размерах и при той же толщине стенок отливки, уже не дает газовых
раковин на плоскостях бандажа, так как газовые пузыри получат
возможность беспрепятственно удаляться вверх.
При овальном сечении (например, спиц, шкивов) газовые раковины
располагаются, как показано на рис. 129, н поражают отливку в срав-
Рнс. 128. Неправильная (слева)
и правильная (справа) конструк-
ция бандажа миксера
Рис. 129. Расположение газовых ра-
ковин в конструктивных сечениях
различной формы
Рис. 130. Нваравкльное (слева) и правиль-
ное (справа) положение диска в маховиках
нительно небольшом размере При тавровых сечениях (рис. 129, б, в,
верх) газовые раковины расположены как раз в ответственных частях
изделия. Поэтому двутавровые сечения следует проектировать так,
чтобы они располагались при заливке формы, как указано на
рис. 129, в, нпз.
Диски маховиков н колес должны быть наклонными для облегче-
ния \ деления газов, рис. 130.
В производстае определение причин появления газовых раковин
по вине формы и металла производится методом последовательных
исключений возможных причин (пп. I—10) по наружному осмотру
отливок в литейном цехе и после механической обработки.
ГЛАВА VU
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ
В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ И МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМИ
Вопросы борьбы с неметаллическими включениями имеют
существенное виачеиие в комплексе общих вопросов получения здоро-
вой отливки, особенно с высокими механическими свойствами.
Механизм образования и влияния неметаллических включений рас-
сматравается в курсах «Металлургия стали» и «Металловедение»
полнее, чем газовых включений. Поэтому здесь можно ограничиться
изучением лишь основных особенностей соответствующих дефектов
в фасонных отливках,
1. Неметаллические включения в отливках
Неметаллические включения влияют на свойства отливки, будучи
даже в субмнкроскопическом виде. Неметаллические включения
в отливках, аналогично газовым, следует рассматривать также с уче-
том взаимной связи влияния металла и формы-
а) неметаллические включения в отливках по вине металла,
связанные с процессами его выплавки, разливки и затвердевания, и
б) неметаллические включения в отливках по вине формы.
Карбиды и. в особенности, графит, несмотря на свою природу
твердого раствора, являются по существу неметаллическими вклю-
чениями. Но, строго придерживаясь положения, по которому неметал-
лическими включениями следует считать лишь те, которые практиче-
ски не растворимы в твердом металле, необходимо отметить что
в стальных отливках такжми включениями являются окислы. сульфиды
и силикаты, а также некоторые нерастворимые нитриды (хрома, тита
на и т. д.) и особые карбиды
По вине формы в отливке могут быть включения только различ-
ного вида силикатов или каких-либо окислов из формовочных смесей.
По вине же металла в отливке могут быть все перечисленные виды
включений.
Независимо от причин появления соответствующих включений
в отливке, влияние их на ее качество будет зависеть не только от
количества, но и от формы и расположения вклю-
чений.
Включения остроугольной нли удлиненной формы являются
очагами концентрации напряжений и сильно понижают пластичность
металла. Включения, расположенные по границам зерен в виде пленок
или цепочек, резко уменьшают межкристаллитную прочность н пластич-
ность. Только включения округленной формы, беспорядочно разбросан-
ные и расположенные внутри вереи, оказывают минимальное влияние
на механические свойства металла.
Влияние неметаллических включений на свойства графитизирован-
ной стали н чугуна сказывается менее резко, так как графит настолько
220
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
поражает включениями основную металлическую массу, что относи-
тельное влияние других включений уже сравнительно мало. Резкое
влияние неметаллических включений иа пластичность стали видно на
рнс. 131 133]. Оно определяется не столько абсолютным количеством
Рие 131. ВлаякКе формы и расположения неметаллических
включения (СульфадоЬ я силикатов) на пластичность литой
клс.тоЯ стали (0.30% С; 0,50% Si; 1^0% Мп) после яорма-
тизицин и отпуска
в — межкристаллитное расположение сульфидов, плакал властнч-
(Ь — М№Х а я а — разбросанное йатполгате - Ду-яъфн-
|ов д прерывная силикатов, лучшая «иивтегаяооть
ЗЯ.8 Н
и размером этих включений, сколько их формой и расположением,
। также способностью самого включения н деформации.
Сталь одного и того же химического состава, прошедшая одинако-
вые режимы термической обработки, дает разные показатели пластич-
ности. Эта особенность литой стали является одним нз основных ее
недостатков. В местах расположения включений при нагрузке изделия
концентрируются напряжения, поэтому при расположении включений
и виде сплошной пленки по границам кристаллитов в игом месте легко
образуется разрыв прн очень Малой деформации Трешина распростра-
няется по всему сечению отливки, вызывая хрупкое оазрушение. Разрыв
испытательных образцов на раетяжение из такой стали происходит
с глухим, слабым звуком. Если же включения имеют глобулярную фор-
му и беспорядочно-ризбросаны, неопределенно распределены в массе ме-
талла,— то концентрация напряжений не может быть уже столь ве-
лика Это определяет бблыпую прочность изделия, лучшую tro пла-
стичность Соогветствуюшие образцы ня растяжение разрываются Уже
С громким треском, что показывает на одновременное разрушение
бадыдей 4«(3Mt оеэеяня
2. Механизм обрАлевамив Аорма и расположение неметаллических
включении
Форм» и расположение йключений зависят от их
состава, условий выделения и смачнвайия металла.
Иемттмличе^кие екммишл e Сталиных отливках 221
Включения с высокой температурой плавления, нахо-
дясь в растворе или во взвешенном твердом состоянии в жидкой стали,
выпадают первыми, часто являясь зародышами кристаллизации.
Если же эти включения находятся в большом количестве и не имеют
того строении 1г тех кригическйх^ра'змероб, которые определяют их
роль как зародьцпей кристаллизации, то они могут оттесняться затвер-
девающим металлом к границам зерен н в срединные зоны отливки,
затвердевающие последнимв. Так как эти включения обычно бывают
хрупкими, то вредное влияние их на пластичность особенно пагубно.
Легкоплавкие включения имеют возможность легко
коагулироватьи всплывать в жидком металле. При задержке
всплывания они выделяются в конце ватвердевания металла* распола-
гаясь по граянцам зерен. Выделение их здесь в виде очейь резко по-
нижающей пластичность непрерывной пленки по границам- зцрен или
в виде менее вредйых скоплений округленной формы зависит от условий
смачивания этими жидйими или тестообразными включениями поверх-
ности затвердевшего металла. .
Если силы сцерленив кнутри включения больше сил сцеплёния меж-
ду- ними и поверхностью металла, то смачивания не происходи^ и вклю-
чение, под влиянием сил поверхностного натяжения, принимает сфери-
ческую форму.
Если силы сцепления между жидким включением и твердый метал-
лом больше сил сцепления внутри включения, то происходит смачивание
н образование непрерывной пленки на границе зерна, подобно «пленке
воды, смачивающей стекло» (по определению акад. Н. Т. Гудцова)
В этом отношении очень малые количества включений могут обра-
зовать полностью хрупкую пленку вокруг каждого зерна и определить
хрупкость всего сплава. Так, например, уже 0,005% Bi'сообщает хруп-
кость меди, а 0,01—0,02% S в виде пленки сульфидов FeS вызывает
хоупкость стали при высоких температурах (красноломкость).
Таким образом, основные мероприятия ро борьбе
с вредным влиянием включении должны быть, и а п ра в-
лены на предоставление включениям возможности
всплыть или выделиться из жидкого металла как
можно раньше, ₽ дисперсной, беспорядочной форме.
Скорость подъема неметаллических включений в жидком металле
может быть определена, как -и для газовых включений, формулой 8,
стр. 47, т. е. скорость подъема округленных включений вырастает про-
порционально квадрату их ^иго^етр^ или объему в степени 7^.
Поэтому понятно стремление получать неметаллические включения
в жидком состоянии, т. е. вферической формы, легко коагулирующи-
ми, образующими включения крупного размера. При этом надо иметь
в виду, что на основании приближенных расчетов по формуле 8, стр. 47,
скорость всплывания включений в-сталй составляет всего 80 см/мин
для включений диаметром Р,1 fMM н только 0,8 и 0,008 см/мин для вклю-
чений диаметром 0,01 0.00Г мм. Для сравнительно крупных марган-
цевых силикатных включений диаметром 1 мм определена скорость
всплывания уже в 1550 см]мин.
Следовательно, мелкве включения, около 0,01 мм диаметром, прак-
тически уже не могут всплыть в отливке. Только при очень длительной
выдержке в печи или ковше возможно частичное всплывание подобных
включений из верхних горизонтов металла.
Вследствие меньшей высоты столба металла одинаковая выдержка
в печи полнее очищает сталь от включений, чем в ковше. Так, напри-
мер, экспериментально определено, что силикатные включения 0,20 мм
222 ЛмяЛш саойстла и мрвичнал кристаллизация стали
Рис 132. Схема распределевма, поведения и коагуляция (коалесценции) во время затвердевания стали неметаллических
элементов и газов, дающих веметаляические я газовые включения
Неметаллические включения в стальных отливки*
всплывают в ванне 30-г мартеновской печи при. выдержке 73 сек. а в
ковше 352 сек.
На скорость всплывания включений оказывают также большое
влияние динамическая вязкость жидкого металла ('i) и удельный вес
включения (^ЙКЛ ) В холодном и густом металле, имеющем высокую
вязкость, включения всплывают с большим трудом. Поэтому пере-
грев металла во время плавки и выдержки обязате-
лен, особенно для некоторых специальных сортов
Стали, имеющих высокую вязкость.
Чем больше разница между плотностью жидкого металла и вклю-
чения, т. е. практически, чем легче включение, тем с большей скоро-
стью, при прочих равных условиях, оно выделяется.
Например, включения закиси марганца МпО имеют =М700°,
уд. вес 5,40 и дают разность — 7ВКЛ =6,9—5,40=1,50, а вклю-
чения метаснликата MnO-SiQj имеют =1230’ и уд. вес всего
3,30, т. е. разность с — 7аыд =3,60. Аналогично, включения глино-
зема АЬОз имеют =2050° и уд. вес 4,0, а муллита ЗА1аО> 2SiO$
=1815°, уд. вес 3,05 и разность v — 7 вжл =3,85.
Таким образом, в жидком металле, заполняющем форму, могут
быть как растворимые, так и взвешенные включения. Вне зависимо-
сти от возможном частичной диссоциации этил, включений, при охлаж-
дении и затвердевании стали часть кз них удаляется, часть застревает.
Соответствующие условия образования и всплывания этих включений,
неметаллических и газовых, представлены схемой рис. 132 [34J
А. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В ОТЛИВКАХ,
ОБРАЗОВАННЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯМИ ИЗ МЕТАЛЛА
Неметаллические включения, связанные с изготовлением металла
и с его разливкой, т. е. с факторами, не зависящими от формы» имеют
следующее происхождение;
1) включения, попавшие в жидкий металл во вре-
мя процесса плавки (нз подины и футеровки лечн, из шлака,
продукты раскислении металла, загриэнения, вносимые ферросплавами);
2) включения, попавшие в жидкий металл во вре-
мя процесса разливки (частицы шлака при выпуске металла нз
печи, частицы набойки и футеровки жолоба и ковша, частицы шлака
на поверхности металла при разливке его через носок крнша);
3) включения, образовавшиеся в жидком металле
в процессе его затвердевания (продукты продолжающегося
раскисления, образующиеся сульфиды и другие ликвационные выде-
ления).
1. Включения, попавшие в металл извне
Включения, попавшие в металл механическим путем, извне, во вре-
мя процессов плавки и разливки (из огнеупоров печи, жолоба, ковша,
из шлака), бывают обычно крупных размеров. Они могут свободно вы
делиться из жидкого металла даже при небольшой выдержке его
в ковше или задержаться в специальных шлакоуловителях при запол
нении формы. Поэтому крупные, различаемые невооруженным глазом
включения в отливке только в виде исключения могут быть неметал-
лическими включениями по вине металла. Больше того, такие вклю-
чения появляются обычно только при небрежной разливке через носок
ковша или когда металл покрыт жидким, не загустевшим шлаком. При
хорошей конструкции литниковой системы при правильной, разливке
224
ЛипЛяыс свойстве и первичная. кристаллизация стали
через носок ковша и, в особенности,, через стопорное устройст-
во— крупные неметаллические включения в отливке
по вине металла появляются чрезвычайно рейке).
2. Включения., образовавшиеся в металле
Неметаллические включения по вине металла различаются только
под микроскопом, и появление их вызывается «физиологическими» при-
чинами. Это продукты раскисления (силикаты, алюминаты, окислы
кремния, марганца н т. и.), сульфиды (железа, марганца, алюминия
я т ц.), интриды и различные ликванионные выделения
Наиболее распространенные неметаллические включения в отлив-
ках, обусловленные влиянием металла, следующие.
1) Закись железа РеО(£пл 1370°; уд. в. 5,7). в сильно окис-
ленном металле, образующаяся вследствие падения растворимости при
затвердевании металла (например, растворимость FeO в железе При
составляет 0,94%, а непосредственно после затвердевания- около
0,45%).
Обычно сталь для фасонных отливок бывает достаточно полно раскис-
лена, и FeO встречается только в виде округленных включении сили-
катов или механически застрявших включений, состоящих из различ-
ных окислов н силикатов. При неблагоприятных условиях раскисления
и десульфурации FeO может находиться также в виде оксисульфндов
или твердого раствора с закисью марганца, располагаясь по границам
зерен.
2) Кремнезем Si02 (£вл 1730°, уд. в. 2,4) встречается в сортах
стали, имеющих достаточяо высокое содержание кремния. Размеры
включений достигают 3—4 В этих случае рци располагаются по
границам зерен; при более дисперсном, субмикроскопическом состоянии
могут в известной степени являться зародышами кристаллизации
гйОа в металле может быть как и виде включений, попавших извне
(кислая подина и т. п.), так н в виде продуктов раскисле-
ния по реакции 2FeO + Si^SiO2 + Fe.
Эта реакция не идет до конца (направо), и остающаяся в неболь-
шом количестве FeO имеет тенденцию частично раствориться в обра-
зовавшемся при раскислении SiO«.
С увеличением содержания кремния, наряду с образующимися си-
ликатами железа, почти нерастворимыми в жидкой етали и коагулирую-
щими в крупные капли, появляются мелкие сферические включения
чистого SiO2.
3) Силикаты железа и марганца (2FeO SiO2 файятит
с = 1205° и 2МпО SiO2 тефроит с t ПЛ —1320^) в чистом виде не
встречаются в стали. Обычно, железистые силикаты содержат зна^я
тельное количество МпО, которая еще более понадсцет их температуру
плавления. Благодара этому, легче происходит коагуляция включений
и возрастает скорость их всплывания. Для того, чтобы произошла
коагуляция, включения могут быть и не жидкими, но обязательно на-
ходиться в непосредственном соприкосновении. Чем больше иоицентра-
ция включений, тем больше вероятность их коагуляции вследствие
увеличения частоты соприкосновения (столкновения) отдельных вклю-
чений, движущихся в жидком металле и имеющих определенные ам-
плитуды колебаний, рас 133.
Поэтому во внутренних и самых глубинных зонах массивных от-
ливок всегда можно найти не успевшие удалиться включения значи-
тельно больших размеров, чем в их наружных частях. Например,
Герти определил в наружной мелкозернистой зоне отливки весом 5 г
Неметаллические включения в стальных отливках
225
из углеродистой стали SiO2 от 0,017 до 0,026%, во внутренней зоне
столбчатых кристаллитов от 0,057 до 0,031% (рис. 134).
Рис Ш Образование крупных включеяий силикатов
в стали. Х50
Рис. 134. Форма сульфидов (ые-wx) наружной зоне слитка (слева)
и более крупных jbo вяутрсяней зове (справа,. Сталь раскжшеиа мар-
ганце», кремнием и 0.03% алюминия. ХЮО
Из диаграммы равновесия FeO SiOj усматривается, что при изме-
нении содержания SiO2 в силикате с 60 до 61% т. е. только на 1%,
температура плавления повышается с 1500° до 1600°, т. е. на 100
Поэтому, 60% SiOs в силикатах железа является желательным крайним
пределом для получения жидких включений, легко коагулирующих Со-
временные комплексные раскислители, применяемые при производстве
Стали для ответственных отливок, подбираются именно таких соста-
вов, чтобы обеспечить получение жидких продуктов раскисления (на-
пример, силикомарганец, сплав алюминия, марганца, кремния AMS,
Сплав алюминии, кальция, марганца и т. п.).
В частности, при совместном применении в качестве раскислителей
кремния и марганца необходимо для получения жидких продуктов
15 Зяклз 70 ТО. Л TTFV’HI.IB
226 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
раскисления иметь содержание (марганца примерно в четыре раза боль-
шее, чем кремния, т. е. при обычном содержании кремния 0,20% в ста-
ли фасонных отливок нужно иметь марганца ~ 0,8%.
Получение жидких продуктов раскисления (в ваде легкоплавких
силикатов) имеет большое значение для получения здоровых отливок
не только потому, что облегчаются условия всплывания включений
из-за укрупнения нх размеров, но в вследствие улучшения жидкотеку-
чести стали. Поэтому, если по каким-либо местным причинам прихо-
дится применять раздельное раскисление ферромарганцем и ферросили-
цием вместо комплексных раскислителей, то нужно осудить практику
некоторых заводов, производящих присадку ферросилиция до фер-
ромарганца. Как известно, ферросилиций является более активным рас-
кислителем, чем ферромарганец Прн ранней его присадке образуется
преимущественно S1O2 и последующее раскисление ферромарганцем
не сможет привести к образованию большого количества силикатов.
Как показали специальные исследования Ю. А. Нехендзи и А. М. Са-
марина |9], жидкотекучесть и пластичность некоторых марок основном
мартеновской стали при раскислении по схеме Febi Fe.M11 значитель-
но понижается. ।
На особенности жидкоплавких силикатов легко всплывать в стали,
что ведет к ее более полному раскислению и очищению, основаны
известные способы А С. Точинского, а затем и Перрэна по пропуску
жидкой стали через синтетические шлаки соответствующих составов
(SiO2 > 55% и FeO
4) Окись алюминия ALO3 ^глинозем • ZUbO ц .'д. в при
1200° 3,92) получается в результате сгорания влюминня за счет кис-
лорода воздуха пр«> введении его в жидкий мет. , гл л а счет реакции
раскисления
3FeO - 2Al^ALU3 + 3Fe
Алюминий является настолько сильным раскислителем, 11 о воз-
можно также восстановление им МпО и силикатов. Вктючения AI2O3
часто находятся совместное сульфидами железа, марганца н алюминия.
Если алюминий введен в небольшом количестве, образуются алю-
минаты железа FeO-AI.-Оз или марганца MnO-ALC и>..«се имеющие
высокую гопя. При большем количестве присаживаем ' о алюминия
происходит разложение силикатов железа и марганц.. уменьшается
возможность их коагуляции, обрезается евпбо ный А1аО3 или муллит
ЗА1гОя - 2S»Oj и сульфи 1 Al-Sj.
При критическом размере н коллоидном распределении этих мало
растворимых и твердых, при температурах жидкого металла, вклю-
чений они могут играть роль зародышей кристаллизации. Вслед-
ствие большой подвижности мелких включений часто наблюдаются
местные скопления АЬОя, могущие располагаться в виде цепочек по
границам зерен, резко понижая пластичность литой стали.
5) Сульфиды железа (FeS, f^USO0) и марганца (MnS,
t пл 1620°) ие встречаются в чистом виде в отливках, а обычно в ви-
це твердого раствора (Fe, Мл) S Эти сложные марганцево-железные
сульфиды при надлежащем содержании марганца мало отличаются
ио своим свойствам от чистого MnS и располагаются в литой стали
как внутри, так и по границам Зерен первичной кристаллизации, рис. 135
Включения су льфидов обладают известной растворимостью в жид-
ком 'металле и выпадают прн его затвердевании, так как р.т. гворимость
серы в твердой стати ничтожна (ниже 0,015—0,020%). В стали с низким
содержанием марганца сера выделяется преимущсста₽нно в виде Эвтек-
тических соединений Fe-FeS, возможно содержащих также некоторое
Неметаяяпчвскн* ИкМ**е*ЙгН X ГтДЛМы. втлпям»
количество FeO и имеюшнх очень -низку» температуру плавле-
ния — всего 985°.
Поэтому подобные вктючейпя сульфидов располагаются по гра-
ницам зерен и, принадлежа к смачивающим включениям, образуют
пленки. В результате чрезвычайно резко нарушается межкрнсталли
Рис. 135. Включения FeS и MnS в отлив-
ке из нязкоуглероднетой стали (эвтектп-
ч«кое ржположейие}. Х2СЮ
ческая прочность, что вызывает красноломкость и низкую
пластичность при нормальных температурах.
При наличии надлежащего - о.шчества марганца образуются суль-
фиды, бел атые марганцем, типа MnS. мало растворимые как в жидком,
так и в твердом металле. Они имеют большое поверхностное натяже-
ние, не смачивают поверхности Зерен и выделяются в виде включений
различной формы. Включения MnS уже не влияют столь резко на
красноломкость и на понижение механических сзойств. Если они
находятся в дисперсном состоянии и обладаю? кришческнмп разме-
рами, то могут даже являться зародышами кристаллизации.
Однако, как показали специальные исследования, эта благопри-
ятная форма и расположение марганцевых сульфидов в литой стали
получаются тотько при (наличии некоторого количества FeO в метвлле.
В полностью раскисленном жидком металле, без FeO, растворимость
марганцевых сульфидов резко повышается, и они выделяются поздно,
к концу затвердевания, располагаясь в виде включений эвтектического
типа по границам зерен
Чтобы добиться уменьшения растворимости сульфидов в, следо-
вательно, выделения их в бсспорядочжо разбросанном состоянии и воз-
можно раньше при охлаждении /кадкой стали, необходимо в пол-
ностью раскисленный металл ввести алюминий, цирконий, кальций
и тому подобные элементы, дающие сульфиды AlsSa, ZrSs, CaS я т Д.
Получающиеся сульфиды не образуют никаких соединений, хотя бы
эвтектических с железом или FeO Они обладают поэтому малой
растворимостью, рано выделяются и располагаются
преимущественно внутри зерен, не понижая так резко пчастич-
15*
228 Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
вость и прочность металла, кек железо-марганцевые сульфиды, распо-
ложенные по границам зерен.
Количество, форма и расположение неметаллических включений
влияют не только на механические свойства стали, ио и на получение
здоровых отливок. В частности, низкая пластичность стали при
высоких температурах, обусловленная межкристаллитным расположе-
нием включений, особенно в виде легкоплавких оксисульфидных пленок,
уменьшает сопротивление стали к образованию горячих трещин в отлив-
ках. Задача получения включений в виде легкоплавких силикатов и
округленных сульфидов приобретает для литейщика особое значение.
Проведенные в последнее время подробные исследования генезиса
и морфологии неметаллических включений в стальных отливках опреде-
лили пять типов встречающихся включений н их соответствующее влия-
ние на получение здоровой отливки. При окончательном раскислении
стали небольшими присадками алюминия, циркония и кальция эти пять
типов включений классифицируются по условиям своего образования:
1) беспорядочно разбросанные окислы (силикаты
или глинозем), образующиеся еще в жидком металле;
2) округленные сульфиды и окислы, расположенные
в виде сетки по границам зерен при затвердевании, образуются как
двойные эвтектики металла и сульфидов или металла и окислов; в стали
с повышенным содержанием алюминия получаются округленные суль-
фиды, как двойная эвтектика металла и оксисульфидов;
3) межкристаллитные отдельные мелкие суль-
фиды и окислы представляются как тройная эвтектика металла,
сульфидов и окислов (или оксисульфидов);
4) туманные скопления частиц окислов представ-
ляются также как тройная эвтектика металла, окислов и оксисульфид-
ных соединений;
5) двойные включения, имеющие темную внутреннюю зону
в виде окисла, а наружную светлую в виде сульфида, образуются при
неполном перитектическом превращении окисла в оксисульфидное
соединение.
Наиболее благоприятное влияние на пластичность стали оказывают
включения типа 1 и 5, т. е. силикатные и двойные включения оксисуль-
фидов. Резко понижают пластичность включения типа 2 и 4, т. е. эвтек-
тические и туманные скопления окислов. Среднее влияние оказывают
включения типа 3, т. е. межкристаллитные мелкие, в том случае, если
они не в виде пленки, а в виде отдельных мелких включений с благо-
приятным соотношением между окислами и сульфидами и малым
количеством эвтектики (табл. 27).
Влияние различных методов раскисления и соответственно относи-
тельных количеств различных типов включений яа пластичность стали
и ее сопротивление образованию горячих трещин в оттивках представ-
лено на ряс. 136 [74].
Высокая пластичность и хорошее сопротивление горячим трещинам
получаются обычно прн силикатных и перитектических включениях,
особенно при присадке около 0,10% Са или Zr. Эти элементы не вызы-
вают образования оксисульфидных соединений и межкристаллитных
сульфидных пленок, имеющих низкую температуру плавления (красно-
ломкость). Как видно нз рис. 136, сочетание наялучшей
пластичности и высокого с опротивнейи я образо-
ванию горячих трещин получается прн ликвида-
ция включений типа туманных скоплений окис-
лов и межкристаллитных сульфидных пленок. Дости-
Нелеталличвскм еиючиш в стальных отливках
229
гаетея это прн применении таких сильных раскислителей, как алюминий
и титан в углеродистой стали при содержании не выше 0,04% S и при
применении кальция и циркония (-*0,1%) при содержании S > 0,05%.
Таблица 27
Влияние присадки алюмина ма обриоааиас различных типов включения литой
стали и влияние этих включений на пластичность стали [74]
Тин включении Присадка А1. % Пластич- ность стали Неметаллические включеиия (в скобках—незначительное количество)
1 — .силикатный . 0,025 Очень коротав Стекловидные силикаты, округ- ленные сутьфиды в (межкристал- литная сульфидная пленка)
2 — эвтектический . 0.050 Плохая Межкристаллитная сульфидная пленка, округленные сульфиды и (глинозем)
3 — туманный 0,075 Плохая Глинозем, округленные сульфиды и (межкристаллитные сульфиды) пленки или туманные скопления оки- слен
4 — глинезеинстый . 0,100 Вполне удонаетво- рительиая Глинозем, округленные сульфиды н (межкристаллитные сульфидные пленки или туманные скопления
5 — перитектический 0,100 (-HW/eCaJ Хорошая Глинозем, двойные, округленные сульфиды и (межкрисгаллмтния пленка сульфидов)
Отн сигпепыкх
распределение
Включений ла
типам
Раскислена
кремнием
•— О,25~О,51Г!гг-
' или циркония
.икрцглем-^с
Отнасителимв сужение
Межкристалш»
ные сулыриды
ИрееОпадаюшре
включения
Силикатные Эвтектические
(апеклЛивм^межкристлшг-
Рис. 136. Схема влияния раскисления различным количеством мжргаацж, ир«-
•ння, кальцня, алюынмя « циркония ио тип образующихся охлкммммй в стада
(0,035Я S) <и соотэетстеежо ее пластичность и солротявлеине образованию
горячих трещин в отливках
60
Пластичность
| 30
230
ЛигвЛяые саойсгва и лврвич*дя кристаллизация лгали
Полезно отметить, что введение таких малых добавок, влияние
которых основано на законах разбавленных растворов, требует приме-
нения сплавов с вязкой концентрацией соответствующих элементов.
Поэтому в последнее время для ответственных отливок начали употреб-
лять сложные комплексные раскислители, в состав которых входит
не только кремний и марганец, но кальций, цирконий или титан (напри-
мер, SiMnCa, FeSiZr и т и-). Применение этих сплавов имеет, между
прочим, ы то преимущество, что они обладают большим удельным ве-
сом, т. е. легче проходят через штак и с меньшим угаром растворяются
в стали (например, сплав SiMnCa вместо SiCa и т. п.)_
Здесь опускается рассмотрение влияния и свойства других вклю-
чений: нитридов, специальных карбидов, окислов легирующих элементов
и т. п. Можно только отметить, что все неметаллические включения,
связанные с изготовлением и разливкой металла, обычно настолько
мелки, что никакие тонкости приемов формовки и методов подвода
металла к отливке не смогут ее предохранить от загрязнения неметал-
лическими включениями по вине металла.
Крупные включения в отливке по вине металла, не успевшие
всплыть в ковше и ти задержаться в литниковой системе, яиляются
обычно включениями, попавшими извне. Следует избегать часто делае-
мой ошибки в трактовке этих включений, обнаруживаемых прн осмотре
отливок в литейном или механическом цехе, как полученных из-за
раскисления кремнием или длюминием Поводом к такой оценке проис-
хождения подобных включений является наличие их иногда н медленно
затвердевающей части отлнвки или прямо не поверхности усадочной
раковины в виде налетов. В табл. 28 приведены химические анализы
таких включений, найденных в прибыльной части крупных фасонных
отливок и слитков.
Таблица 28
Химические анализы некоторых «рупиях иеметазличесжМХ включений стальных
оТтхаках (по разным иссзедованиям)
Xop^KTcpHCHikiJ
S
Включения в стали,
выплавленном без Алю-
миния - • ♦..........
Желтоватый порошок
в усадочной ракипнас
прибыли крупной фа-
сонной отлнвки
Крупные включения в-
слитке па кислон-марте-
новской стали . .
Го же. из осиявнин
«артековской стали
Крупные включения
в усадочной раковине
слигка........... .
То же, в валу турбо-
майины . . .
Шлаковая плены,едя
тая с поверхности ме-
талла в периоде залив,
жн 6-т слита» , , .
0,16
Неметаллические включения в стальных отливках 231
Даже в стали, выплавленной без присадки алюминия (№ 1 и 2
габл. 28), имеется значительное количество А1гО.;, ясно доказывающее
попадание его из огнеупорных материалов независимо от процессов
раскисления Совершенно аналогично включения в фасонной отливке
(№ 3) получены из огнеупорных -материалов и даже, вероятно, из меха-
нически увлеченного основного шлака, что можно заключить из высо-
кого содержания СаО (26,0%>}- Повышенное содержание SiOs в вклю-
чениях кислой стали по сравнению с основной (№ 4 и 5) также показы-
вает на попадание этих включений извне.
Во включениях № 6—8 обращает внимание высокое содержание
МпО. Эти включения получаются вследствие' химического взаимодей-
ствия МпО (или FeO, см. N® 2) стали с шамотом литниковых систем
либо с кремнеземом формовочной смеси. Полное раскисление
стали п предохранение ее от окисления во время заливки являются
наиболее эффективными мероприятиями борьбы с этим важным источ-
ником поражения отливок неметаллическими включениями по вине
металла.
Б НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В ОТЛИВКАХ.
ОБРАЗОВАННЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯМИ ИЗ ФОРМЫ
Зшрязнение отливок неметаллическими включениями может вызы-
вать как та часть формы, которая служит для подвода металла (лит-
никовая чаша, стояк, аитниковый ход и питатель), так и та часть фор-
мы, которая, запотняясь металлом, служит уже для получения собст-
венно отливки.
Часть формы, служащая .тля подвода металла, особенно опасна
как источник загрязнения отливки, так как она подвергается непрерыв-
ному, во все время заполнения формы, воздействию температуры
и движения жидкого металла. Вместе с тем, если образующиеся в ней
включения пе попадут во вторую часть формы, т. е. в собственно
отливку, то качество се не пострадает. Поэтому при изготовлении
формы придается особое значение всем мероприятиям, задерживающим
неметаллические включения в литниковой системе.
1. Неметаллические включения, попадающие из полости формы,
подводящей металл
Так как ряд общих мер приводится в курсе «Изготовление моде-
лей и форм», то здесь можно лишь кратко отметить, что источниками
образования неметаллических включений в стальных отливках иэ части
формы, подводящей металл, являются.
1) шлак из ковша прн разливке через носок или частицы
огнеупоров стопорного устройства при разливке через дно. попадаю-
щие вместе с металлом в форму (строго гов.рря, должны быть отнесе-
ны к неметаллическим включениям по вине металла):
2) мусор, оставшийся в элементах литниковой системы;
3) разъедание и смывание движущимся жидким металлом
частиц формовочной смеси в литниковой системе;
4) неправильная конструкция и размеры литяя-
ковой системы
Следовательно, мероприятиями по борьбе с образованием этих
включений и их попаданием в отливку являются-
1) загустевание иочнетка шлака с поверхности метал-
ла при разливке через носок ковша (получение кислого шлака есгеет-
232
Литейные свойства и первичная кристаллизация стала
венною или из битого стекла густит шлак на поверхности жидкой
стали и препятствует увлечению его металлом в форму); устрой-
ство чайниковых ковшей для разливки через носок и примене-
ние материалов высокой стойкости (шамот с графитом, андалузит,
магнезит и т. п.) для пробок и стаканчиков при разливке через дно,
устройство специальных чаш или промежуточных ковшей — воронок
достаточно большой емкости и правильной конструкции для того,
чтобы в получающемся резервуаре жидкого металла всплыли соответ-
ствующие включения;
2) перед заливкой формы тщательная проверка и удале-
ние специальным ииструментом или продувкой сжатым воздухом
мусора, оставшегося в литниковой системе; если форма должна
стоять некоторое время после сборки до момента заливки, необходимо
перекрыть чашу пли литниковую воронку железными крышками, предо-
храняющими засорение стояка частицами земли и пыли;
3) достижение высокой стойкости формовочных
смесей, работающих в литниковой системе, против термического
и смывающего воздействия жидкого металла. Кроме известных условий
подбора состава, строения и подготовки формовочных смесей, необхо-
димо отметить, что при заливке в сырые формы отливок крупного веса
никакая литниковая система из сырых формовочных смесей не сможет
пропустить без разрушения и размыва требуемое количество жидкого
металла. Для крупных отчивоК из стали литниковая система даже
из формовочных смесей обычного состава, прошедших процесс сушки,
сможет размываться во время заполнения формы.
Поэтому в практике часто применяют как для ответственных отли-
вок, заливаемых в сырые формы, так н для крупных отливок, заливае-
мых в сухие формы, литниковую систему из огнеупорного шамота (спе-
циальной формы литники, либо обычный огнеупорный припас, применяе-
мый при изготовлении слитков — сифонный кирпич, кольца для стопоров
и т. п„ см рис. 259).
Необходимо подчеркнуть, что основной причиной загрязнения сталь-
ных отливок крупными неметаллическими включениями по вмие формы
является качество формовочных смесей, не соответ-
ствующее условиям заливки и конфигурации
отливки. Требуемые мероприятия по борьбе с этой важной причиной
брака рассматриваются достаточно подробно в разделе курса «Формо-
вочные материалы» и здесь опускаются;
4) правячьиая конструкция и размеры лигни-
новой системы играют важную роль в задержке всех образую-
щихся в ней включений и предохранении отливки от засорения ими
Осуществлению «запертой» литниковой системы, т. е. обеспе-
чению заполнения всех ее элементов жидким металлом в процессе
заливки формы, следует придать особое значение при сырых формовоч-
ных смесях. При просушенных смесях или при изготовлении элементов
литниковой системы из шамота опасность их размывания не столь
велика. Однако в принципе и эти литниковые системы желательно
делать «запертыми», так, чтобы каждый последующий элемент системы
имел большее сопротивление, чем предыдущий. «Запертая» литниковая
система может быть эффективной только в том случае, если конструк-
ция ее предусматривает -улавливание неметаллических
включений, иначе они попадут в отливку и пра «запертой» системе
Соответствующие конструкция литниковых систем рассматриваются
ниже,
Неметаллические включекял в стальных отливках
233
2. Неметаллические включения, попадающие нз полости формы,
заливаемой металлом
Эта часть формы также имеет самостоятельные источники образо-
вания неметаллических включений. '
1) мусор, оставшийся в полости формы после сборки;
2) недостаточная стойкость формовочных смесей
на поверхности формы н стержней;
3) неправильный метод заливки;
4) неправильная конструкция отливки, модели
и формы
Для получения здоровой отлнвки в отношении н этих неметалли-
ческих включений необходимо применить соответствующие мероприя-
тия для борьбы с указанными источниками их образования.
1. При сборке формы необходимо вести тщательное наблюдение
за ее чистотой, предварительно продувая сжатым воздухом (компрес-
сорным) полость формы. После установки стержней следует продуть
их слабо сжатым воздухом уже из мехов, чтобы удалить маленькие
частицы пыли и отвалившиеся частицы знаков стержней или формы.
Особое внимание нужно уделять формам с потайными прибы-
лями и тем формам, которые поворачиваются после
сборки или транспортируются.
Перекрывание отверстий формы (выпоров, прибылей) специаль-
ными покрышками необходимо во всех тех случаях, когда формы зали-
ваются не сразу же после нх сборки.
2. Стойкость формовочных смесей полости формы, образующей
отливку, подвергается меньшим испытаниям, чем части формы, подводя-
щей 'металл Только в тех частях формы, которые расположены
непосредственно у устья питателей, возможны идентичные условия
работы, так как через эти участки во Все время заливки поступает
металл.
Поэтоыу в таких участках формы необходимо применять особые
меры по повышению стойкости формовочных смесей. Рекомендуется
в этих участках производить особо плотную набивку, употребляя
смеси с высокой прочностью и огнеупорностью (в отдельных случаях
устанавливают даже шамотовые’ тонкие пластинки — лещадки)
(рис. 261), а также прошпиливать стенки формы и стержней (в соот-
ветствующих местах) формовочными шпильками с большими плоскими
1 оливками (типа толевых гвоздей) из расчета 3 шт. на квадрат 25 4
X 25 мм.
Нужно также иметь в виду, что понижение стойкости формовочных
смесей может произойти не только в местах непосоедствекного воздей-
ствия жидкого металла, но и в удаленных частях формы, под влиянием
сосредоточенного жара, лучеиспускания от медленно заполняющего
форму металла. Происходящий так называемый обвалили обго-
рание формы встречается особенно часто в отливках, имеющих
большие поверхности. Меры борьбы с этим видом загрязнения
отливки ведутся уже по линии не только подбора соответствующих фор-
мовочных смесей и их пропптиловки. но и конструкции отлнвки, метода
и скорости заполнения формы.
3. Метод заливки может оказывать большое влия'-
ние иа загрязнение отлиаки включениями вследствие разрушения
соответствующей части формы. Уже отмечались особенности влия-
ний на усадочные н газовые раковины подвода металла сверху, сифо-
ном или комбинированно Здесь следует подчеркнуть, что при наличии
234
Литейные свойства и первичная кристаллизация сто-ш
выступающих частей внутрь формы при чрезмерно высокой фирне пли
прн попадании металла на стержень верхний подвод металла
может привести к загрязнению отливки включе-
ниями даже при высоком качестве формовочных сме-
с е й. Такие отливки часто необходимо заливать сифоном.
Во всех случаях при верхнем подводе металла имеется большая
опасность образования включений, чем при сифонном, и требуются
более стойкие формовочные смеси. Поэтому заливка в сырые формы
производится обычно сифоном.
Для предохранения от обгорания формы нельзя применять чрезмер-
ную длительность заполнения, часто получаемую при сифонной заливке.
Если, как уже указывалось, для борьбы с газовыми раковинами ско-
рость заливки должна .быть относительно низкой и не превышать ско-
рости удаления газов из заливаемой -полости формы, то для борь-
бы с неметаллическими включениями весовая скорость заливки, т. е.
по существу линейная скорость подъема металла в форме, должна
быть достаточно высокой, чтобы не вызвать обгорания формы Ли-
нейная же скорость поступления металла в форму не должна быть
Чрезмерно высокой, чтобы не вызвать чисто механического
повреждения стенок формы (путем эрозии).
Для кокильных отливок при верхнем и при сифонном подводе
металла необходимо питатели конструировать таким образом, чтобы
струя металла попадала в щель между металлической стенкой формы
и стержнем В противном случае произойдет размывание кокиля, отлив-
ку' из него нельзя будеть извлечь и кокиль выйдет из строя
Особое значение имеет для песчаных н кокильных форм подвод
металла чере'з Много^ислеиные питатели, чтобы не соз-
Рис. 137 Неправильный пря-
мой п пр: ильный твягенци-
ельный (пункте) подвод ме-
талла для уиеньшечме рязмы
ваиия стержня
давать больших потоков через одно
место формы. Также выгодно для от-
ливок с достаточно широкими поло-
стями через некоторое время после
начала заливки, когда в нижней части
формы уже имеется резервуар жид-
кого металла, производить заливку
непосредственно сверху» без литников
Этот метод заливки имеет самостоя
тельное значение для более эффектив*
ноги действия прибылей (поступление
в них более горячего металла)
Метод прирезки титников-
иитателей к телу отливки также
играет значительную роль в комплек-
се мероприятий по борьбе с включе-
ниями, рис 137.
При прямом подводе питатетеЙ,
под влиянием интенсивного механиче-
ского воздействия поступающего жид
кого металла, стержень ичи кокиль
разрушается Подвод металла по ка-
сательной, тангенциально, как показа-
но пунктиром, облегчает работу стержня, металл сразу растекается на
ббльшую поверхность. Дополнительное применение шпилек ити, для
массивных отчнвок, даже небольшого кожушка из кровельного железа
(см. рис. 137 — точечный пунктир) предохранит стержень от размывания
в месте 'наиболее сильного воздействия (металла.
Не.четлличеахие включения в стальных отливках
235
Понижение jjjj . ой скорости и живой силы поступаю-
цего ме’алча, достиж--.• iA спокойного характера его движения — не
менй в.киый ф<. к м метод его подвода. Наряду с мероприятия
ми пп торможеы.г. ...» . в [йикрвой системе, члр обеспечивается
псцг:льной у’нстрчгнией большую роль играет напор поступаю-
ei в «I эму 1 • т .. »• •» вша.
Наппимер, •. . • . . ч х форм (талью из ковшей больше емко-
<ти (б. «где ". г) >мпццф- устройство вызывает всегда знача-
-льнле ,aL рение и." аки вк учениями Сырые фирмы лучше всего
ьлинань чер»з ноц.< ► яша. Не-.ьзя <фи. *нять ковши большой емкости
мке мелких oi .< » г п
Рассматривя° влияние мцрода заливки на образование неметалли-
ческих bi иочеияи, н<- льзя w ить влияние температуры з а ли
ва ... игл метя л та, хотя Пи оно в играло подчиненную роль. Боль-
шой перегрев, умгныпая 5ил« ««Н-ескую вязкость и удлиняя время для
коагуляции и всплывании [.ключений, способствует очищению металла
Перегрев должен рас®чатрив гься, как положительный фактор Однако
при высокой м 'ПС»»Н ре г га -в у илиьаетя его воздействие на фор-
овочные гчеси, что вг »г к поражению -гливки включениями и к уве-
мче»и1о п .пара
Поэтов « отношен.,и борьбы с неметаллическими включениям»
гр вине формы и с чрнгаром формовочная смеси полезно применять
тарое ру скос практичес-ое пранщм». етлавь горячее, лей
олоднее». При выдери не горячего метал-и в печи или в ковше
<ожно будет су/чггать ппе» «шеств; боле® и»гкогп всплывания вклю-
о-ний с малым разрушением формовочных иесей.
Вредн> • олияняг • температуры заливки на «сличение пр
ара формовочной сме < « 1 и нрм шливкам усматривается из дан-
ых рис. 138 »»w<
Как известно, суше, .лют две теории образования пригара- хи-
мическая и механическая.
По воззрениям химической теории жидкий металл окисляется
воздухом в полости формы н в межзерновых промежутках формовоч-
ных смесей Скислы типа FeO п МпО вступают в химическое взаимо-
действие с кремнеземом смесей, образуя легкоплавкие двойные силика-
ты. Наличие глины в формовочной «снеси еще более понижает темпера
туру плавления спекающейся массы сложных силикатов, пронизанной
отдельными частицами затвердевшего металла, проникшего в меж-
зерновые промежутки смеси ^с схему ни PUC. 138'
Таким обоазом, химическая теория можг^ объяснить уменьшение
пригара: при восстановитетьйой атмосфере в полости формы: прн хоро-
шей раскислеиности металла^ йри высоком .содержании алюминия в
нем: при применении число кварцевых, формовочных смесей с мини-
мальным содержанием глины; рри применении .магнезитовых смесей или
смесей из хромистого железняка; при применении мелкозернистых фор-
мовочных матспиа 10в, созллкмпт -малые межзерновые промежугк
В упчыненнон фг‘РмЧВОЧИ.>Й СМсСИ
По воззрениям механической теории, базирующейся ва ряде
работ, не обнаруживших силикатов в корне пригара, считается, что
основной причиной пригара яр^яется проникновение металла в межзер-
новые промежутки формовочной смеси, обволакивание им зерен смеси
и механическое сцепление получаемой песчано-металлической спекшем
ся массы с поверхностью отливки.
При глубине проникновения 0.1—0.4 пригао считается нор-
мальным, отливки хорошо очищаютсм уже ври выбивке: при глубине
до 0,6—0.7 мм требуется очнеттга тжг посте набивки или после термине-
236 Литейные свойства и первичная крнетвллиэация свали
Рис. 130. Схема, иллюстрирующая различные периоды проникновенна стали к обра-
зования силикатов в межзерновых промежутках формовочных смесей н строение
пригара, увеличивающегося при повышении температуры заливки:
в - заливка углеродистое сталью при 15905, б— идя 16150, * — пря еще Оохае высокой
температуре (сталь — светлая совтавяяющая; отливка иесит 330 кг), X IS
Рис. 138А. Правильная (а) и
неправильная (б в fl) конст-
рукция углов в отливке:
(О — оаетреваяпе ьеыеталвячввсм»
Неметаллические включения в еГвльныЛ отливках
23?
ской обработки; лри глубине 0,7—1,0 мм требуется обрубка и при боль-
шей величине сплошного пригара отливку приходится часто браковать.
Уменьшение межзерновых промежутков при мелкозернистых формовоч-
ных смесях уменьшает чисто механическое проникновение металла, не-
смотря на ббльшую легкость оплавления мелких зерен по сравнению
е крупными. При этом, повышение температуры заливаемой стали об-
легчает ее проникновение в поры формовочной смеси, что вызывает
увеличение пригара (рис 138в —очень большой пригар j74aj).
Автор полагает, что в стальных отливках имеют место оба вида
пригара — химический и механический, причем последний имеет боль-
шее значение. При заполнении сталью полости формы неизбежно
образование тонкой пленки окислов железа на ее поверхности, могу-
щей частично раскисляться алюминием и кремнием, при надлежащем
их содержании. Тогда в составе пленки окислов будут находиться чже
и AI2O3 и SiOs, которые, в противоположность FeO, увеличивают по-
верхностное натяжение и уменьшают смачивание (стр. 53). Поэтом}
восстановительная атмосфера в полости формы, хорошо раскисленная
сталь, избыток алюминия в ней, препятствуя образованию пленки
окислон железа, не дают возможности так сильно развиться капил-
лярным явлениям, к каковым по существу относится проникновение
(впитывание) струек жидкой стали с поверхностными пленками в поры
формовочных смесей. Формовочные смеси с высоким содержанием
кварца и низким глины уменьшают, вероятно, явления смачиваемости
и образования легкоплавких силикатов систем FeO — SiOj — А1»Оз.
Аналогично влияют формовочные смеси, содержащие основные
окислы (MgO), тем более, что, вследствие высокой их теплопроводно-
сти, вообще затрудняется проникновение струек жидкой стали в меж-
1ерновые промежутки.
Кроме того, важной причиной механического пригара является рас-
трескивание поверхностного слоя формовочной смеси под воздействием
жидкого металла. Это растрескивание может происходить также -из-за
отложения в межзерновых промежутках свободного углерода нз угле-
водородов органических крепителей. Введение в стержневую и формо-
вочную смесь 1—2% мелкоистолченной железной руды йлн окалины
препятствует растрескиванию как путем упрочнения смеси, так и путем
окисления выделяющегося углерода.
4. Мероприятиями по созданию правильной конструкции
отливки можно также влиять на засоренность ее неметаллическими
включениями.
Следует избегать больших, плоских поверхностей, которые трудно
предохранить от обгорания. Во всяком случае, следует стремиться
к заливке таких плоскостей в вертикальном положении.
Конструкция отливки должна предоставить возможность литейщику
расположить те части ее, которые подлежат механической обработке,
в нижней части формы, чтобы включения могли всплыть. Отливка не
должна иметь острых углов, потенциально являющихся очагами литей-
ных дефектов (горячие трещины, усадочные раковины и т. п.), а в рас-
сматриваемом случае местами задержки включений, которые могут
быть вынесены протекающим металлом в припуск на обработку
в двусторонне закругленном угле, рис. 138А.
Вообше свободное протекание металла в форме, без резкого па-
дении скорости при переходе от одного сечения к другому, уменьшает
опасность застревания включений в отливке. Поэтому равномерная
толщина стенок отливки или плавные переходы от
одного сечения к другому оказывают существен-
ное влияние на чпстоту отливки.
238
.Питейные свойства и первичная кристаллизация стали
Конструкция отливки не Должна также иметь, без крайней необхо-
димости, разных наружных украшений, надписей, цифровых обозначе-
ний и т. п., так как прн заполнении их жидким металлом легко проис-
ходит смывание частиц формовочной смеси в тонких перемычках.
К подобным же мероприятиям общего порядка, имеющим общую
идею—ликвидация источников образования неметаллических включе-
ний в полости формы, — относятся требования к конструкции модели,
которая должна иметь минимальное количество разъемов, к стержням,
которые должны точно садиться в соответствующие знаки, чтобы не
требовалась подмазка их, к точной сборке формы, к минимальным
исправлениям ее после сушки; к местному подсушиванию исправлен-
ных участков я т. п
Определение размеров припусков на обработку отливок
основывается в известной степени на том, чтобы сконцентрировать
в этих припусках застревающие на поверхностях отливки включения.
Здесь опускается рассмотрение имеющихся различных стандартов на
припуски для обработки, зависящие от многих местных переменных
факторов производства (конструкция отливки, метод формовке, ка-
чество смесей, условия усадкн и т. д). Следует только подчеркнуть,
что размеры припусков, при прочих равных условиях, должны быть
больше в верхних частях н на внутренних поверхностях отлнвки Боль-
шой припуск вверху связан с всплыванием включений, а на внутренних
поверхностях — с тем, что они воздействуют во все время охлажде-
ния на стержень. Наружная же поверхность, тотчас после образования
наружной корни, огходнт от стенок формы.
Известную роль в Увеличении внутренних припусков играет также
возможная неточность посадки стержней в знаки. Для обеспечения
требуемых чертежных размеров отливки этот припуск должен компен-
сировать ожидаемую неточность
ГЛАВА VIII
ЛИКВАЦИЯ В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ
И МЕРЫ БОРЬБЫ С НЕЙ
В любой отливке, вследствие явлений ликвации, металл имеет
неоднородный состав не только в различных ее зонах, но даже внутри
отдельных кристаллитов. Неоднородность состава металл? во различ-
ным зонам отлнвки определяется зональном (макро) тнква
дней, а по различным кристаллитам дендритном илн кри-
сталлической (микро) ликвацией’.
Явление ликвации стали впервые было обнаружено ^писано рус-
скими металлургами А. С. Лавровым и Н В. Калакуцкин ч 186® г на
Златоустовском заводе2 Несмотря на это, в иностранной литературе
открытие явления ликвации стали неправильно приписывают англичанам
Стуббсу и Снелюсу в 1881 г
А. С. Лавров так описывает открытие явлении ликвации стали
«Если бы сталь была каким-нибудь постоянным химическим соединением, то
даже и при медленном остывания состав ее оставался бы бе? вея" заметного
изменения, но сталь есть сплав, раствор углерода в жетезе, а '•дедивательно, при
медленном остывании мы вправе ожидать распадения этого сплава, как п всякого
другого, не представляющего собой определенного химического соединения. Непо-
средственным результатом этого распадения должно быть группирование более
трулноплавких сплавов (с меньшим содержанием углерода) около стенок изложницы,
и вытеснение легкоплавких углеродистых сплавов в центральные части слегка.’
Опыт вполне подтверждает сделанное нами предположение; товарищ мой
Н. В. Калакуцкий сделал сравнительный химический вязтпга отвердевших сченок
и остававшейся еще в жидком состоянии сердцевины в пашем пробном тигле и по-
лучил 0.67 и 0,80% углерода.
Если такая заметная разница в содержании сущесгоует уже в . еоо I >Щ2М. слит-
ке, остывание которого продолжает» несколько минут, то нет сомнения, что в боль-
ших массах стали, пушечных болванках, распадение сплавов совершается гораздо
полнее и в орудии должна обнаружиться ликвация подобно тому, кек это заме-
чается в орудиях из артиллерийского металла (бронзах, Ю. Н.>».
Ликвация металла в отливках, особенно массивных и ответствен-
ного назначения, существенно влияет на их свойства. Весьма резко
сказывается влияние зональной ликвации, дающей концентрационный
градиент элементов метаола по сечению отливки.
В отливках имеют место все виды ликваиии: зональная, дендритная
и газовая. При этом зональная ликвация может быть положительной
и отрицательной, нормальной и обратной, а также ликвацией по сдель-
ному весу.
1 Тернии «л и к в а и я» (от латаяского liquare — разжижать, расплавлять)
не характеризует точке явления, свезенные с получением неодиородного емтавд
металла. Термин «сегрегация* (от латинского segrega Ио—отделять, выретяп.)
обычно применяется в иностранной литературе. Однако, у нас широко распространен
термин «ликвация», который и принят в дальнейшем тексте.
2 А. С. Лавров, О приготовлении стильных орудий, Дрпьътерийсждй Мтрнал,
1866, 10, 527.
з Mr. Stubbs. Дискуссия по дежлвду I Ригу. Т Iron а. с| iilule 188|.
I, 199. G. Sr?el из Р-чпрепетсняе чтементов Н Лалысбм’ < гггке, 1 Iron в. Steel
Institute. 1881, II, 379.
240
Литейные Свойства и первичная кристаллизация стали
А МЕХАМ ИЛИ ПРОЦЕССА ЛИКВАЦИИ В СТАЛЬНЫХ
ОТЛИВКАХ
1. Зональная ликвация положительная и отрицательная,
осевая и внеосевая, как следствие процессов ликвации стали
в жидком ее состоянии
Обычно считают, что ликвация определяется избирательным (дн-
ференцированным) затвердеванием металла, протекающим только в тем-
пературном интервале ликвидус — солидус. Однако для массив-
ных отливок, медленно охлаждающихся в песчаных формах, нельзя
пренебрегать неоднородностью состава, получаемой еще в жидком
состоянии.
Даже в однородном жидком растворе, прн наличии ратных тем-
ператур (например, верхние и нижние слои металла в ковше или печи)
возникают концентрационные потоки и устанавливается разная кон-
центрация элементов в слоях с различной температурой. Это известное
явление проявляется особенно резко к момент}’ начала затвердевания,
когда появляются две фазы — твердая и жидкая.
Способность к ликвации в жидком состоянии, особенно под влиянием
различных удельных весов, используется в металлургии цветных ме-
таллов для процессов зейгеров а ния (процес разделения сплава
на несколько составных частей, сплавы свинца с цинком, алюминием
и др.). В стали существование двух жидких растворов при очень
длительной выдержке было определено для систем Fe - С — S,
Fe — Мп — FeS — MnS, Fe — FeS — Fe3P и «комплекса» Fe — С — P.
Поскольку сера, фосфор и углерод способны частично лик-
вировать даже в жидком состоянии, постольку они являются наибо-
лее сильно ликвирующими
Расстояние от стет»
QvfuaKee'er’pgecvvtru
Рис. 139. Схеиа яиквацвл
углерода, фосфора се-
ры в большой оливке
из стали:
элементами в периоде затвердевания.
Как указывалось выше, первичная кри-
сталлизация в отливках протекает волно-
образно, периодически, образуя трн зоны
кристаллитов: наружную мелкозернистую,
среднюю столбчатую и внутреннюю безраз-
лично-ориентированную. Столбчатые кри
стеллиты растут в начальные периоды про-
цесса кристаллизации в жидкой среде по
направлению к срединным зонам отливки.
Поэтому на основании законов избиратель-
ного затвердевания они имеют содержание
углерода, фосфора и серы более низкое,
чем жидкий металл, в то время как оттес-
няемый ими расплав обогащается этими
элементами.
К концу периода кристаллизации срав-
нительно быстро и одновременно затвер ie-
вает центральная зона отливки, «термиче-
ский центр» ее. В пограничных зонах меж-
ду центром отливки и столбчатыми кри-
сталлами существуют последние концентра-
ционные потоки металла. Следовательно,
в этих зонах будет максимальное обогащение отливки ликватами.
Таким образом, кристаллиты в наружной части отливки будут
иметь содержание углерода, фосфора и серы несколько ниже среднего
их содержания в жидком металле. Кристаллиты в центральной зоне бу-
дут иметь содержание углерода, фосфора и серы несколько выше сред-
Лиыация в стальных отливках
241
нею Максимальная же концентрация ликвационных выделений и неме-
таллических включений будет в срединных зонах отливки и в погранич-
ных участках между безразлично-ориентированными и столбчатыми
кристаллитами (рис. 139 и 140).
Как (видно из рис. 140, распределение силикатов характеризуется
скоплением их не только во внутренних, но и в нижних или сред-
них зонах по высоте отливки. Объясняется это очевидными
трудностями для всплывания включений. Распределение же раствори-
мых ликвационных выделений по высоте отливки имеет уже другой
характер. Их скопления наблюдаются в верхних зонах отливки (поло-
жительная, «позитивная» лик-
вация), в то время как нижние зоны
обычно -характеризуются содержанием
углерода, фосфора и серы ниже среднего
в жидком металле (отрнцатель-
ная, «негативная» тиквация)
(рис. 141) [75а].
Рис. 140. Три твпа наиболее часто
встречающегося распределения си-
ликатов при ликвация в слитках.
Сплошные линии соединяют зовы
одинакового содержания включений:
заштрихована область — содержаний
выше 100% (среднего содержания
силикатов в исследованной стали)
Рис. 141. Примерное
распределение зон
ликвации по высоте
отливки (++ поло
жительная, «позитив-
ная» ликвация; •— —
отрицательная, «пе-
। апгвыая» ^иквеииа.
€ — столбчатые жри-
сталлиты)
Объясняется эти явление, по различным исследованиям, ликвацией
уже в жидком состоянии и падением вниз сравнительно чистых по угле-
роду, фосфору и сере кристаллов («конус осаждения»).
Область положительной ликвации в верхних зонах отливки, по ее
оси, характеризуется расположением в виде конуса, обратного к ко-
нусу отрицательной ликвации. Она часто обозначается, как осевая
V-ликвация. Область положительной ликвации не по оси отливки,
а по границам между столбчатыми и безразлично-ориентированными
кристаллитами имеет обратную конусность и обычно обозначается, как
внеосевая \-Д.иквагшя, рис 141.
16 Злтслз 79. Ю. А. Нехендзи
242
Литейные свойства и первичная кристаллизация стала
Таким образом, рассмотренное фактическое расположение зон
неоднородности по составу и по скоплениям неметаллических включе-
ний в отливке можно объяснить применением современных теорай
периодической кристаллизации н ликвации, начинающейся уже в жид-
ком металле. Она протекает не только путем избирательного
затвердевания, но частично и путем образования двух нес м е-
шивающнхея жидких фаз.
Принимая этот механизм ликвации, нужно ожидать, что при за-
медленном охлаждении отливки, особенно ее верхних срединных зои,
в них будут скапливаться всплывающие ликваты с высокой концентра-
цией углерода, фосфора и серы (табл. 29).
Таблица 20
Ликвация етали слятках с различной скоростью затвардемим мертвей частя
Ns СТИТКЬВ Условия эксперимента Содержание злемеитов, %
с Р s Мп
1 Залитая сталь (среднийсостав) 0,155 0,040 0,<&5 0,63
2 Слиток без специального обогрева верхней части: а) эона отрицательной ликвации (ннз сангха} . ..... 0,189 0,045 0,039 0,65
б) зона положительной V-лнк- вацни (нерх слитка) , ... 0,310 0.094 0.122 0,76
Слиток со специальным обогревом верхней части (порошком типа термита): а) зона отрицательной ликва- ция (низ слитка* 0,1 18 0,043 0,037 0,65
зона положительной V-лпх- вацлн (верх слитка). 0,450 0.16Я 0,236 0.80
Таким образом, одним из основных мероприятий по
борьбе с зональной ликвацией стали в крупных от-
ливках является замедление затвердевания их верх-
ней части с тем, чтобы всплывающие ликваты скон-
центрировались в прибыли.
Однако это мероприятие не сможет обеспечить получение отливки
полностью свободной от зональной ликвации, происходящей п при
избирательном затвердевании, в процессе первичной кристаллизации,
а не только в чисто жидком состоянии. Образующиеся ликваты, вслед-
ствие повышения вязкости стали, часто не успевают всплыть в отлив-
ке. Они застревают в последних концентрационных потоках, на грани-
цах термического центра отливки, давая зоны внеосевой д-ликвации
Кроме того, в процессе первичной кристаллизации отливкн неизбежно
образование микроликвацпи. Ее зоны расположены периодически, ня
малых расстояниях, по отдельным дендритам-кристаллитам.
2. Зональная и кристаллическая ликвация стали, как следствие
процесса ее первичной кристаллизации
Основным фактором, вызывающим сильное развитие ликвация
в процессе первичной кристаллизации, является резкое пониже-
Ликвация в стальных отливках
243
иис раствор п мости рач тчных элементов при пере-
ходе металла из жидкого в твердое состояние. Выделя-
ющийся избыточный, сверх предела растворимости в твердом металле,
растворенный элемент попадает в жидкость, окружающую растущий
кристалл. В результате получается аккумуляция соответствующих
элементов вблизи поверхностей раздела твердой и жидкой фазы
Если затвердевание идет очень медленно или если жидкость раз-
мешивается, то избыточные элементы смешиваются с основной мас-
сой жидкого металла. Если жидкость не размешивается или если
затвердевание идет быстро, то в слоях кристаллизующегося металла
также быстро получится концентрация соответствующего элемента
более высокая, чем была средняя в жидком металле.
При медленном затвердевании, когда таердая н жидкая фазы
длительно соприкасаются, можно считать, что изменение состава этих
фаз приближается к условиям равновесия и определяется по соответ-
ствующим диаграммам состояний в верхней их части (линии ликвидуса
и солидуса). В'этих условиях содержание данного элемента в последо-
вательно образующейся твердой фазе никогда ие будет превышать
его конечного содержания по линии солидуса. Если же затвердевание
идет быстро, то обогащенный слой жидкого металла закристалли-
зуется с содержанием данного элемента более высоким, чем должно
быть по условиям равновесия. Кроме того, если растущий кристалл
имеет форму дендрита, то в межосных его промежутках механически
запутается, застрянет обогащенный окружающий жидкий металл.
В результате, при медленном затвердевании растущие кристал-
лы, сравнительно чистые по составу, могут оттеснить обогащенный жид-
кий металл в срединные зоны отливки, где он затвердеет. Получится яв-
ление зональной ликвации. Прн быстром же затвердевании
обращенный жидкий металл будет рассредоточен по отдельным
кристаллита м-дендритам как в осях их, так особенно в межосных
промежутках. Зональная ликвация уменьшится и в тонкостенных отлив-
ках может даже вовсе исчезнуть. Зато разовьется внутрикриста fl-
fl ическая, дендритная ликвация.
Изложенные соображения о мхаашэме ликвац-ин в процессе затвердевания от
ливки может разъяснить и дополнить предлагаемая автором схема ряс. 142.
Схейа левой части рве. 142 показызает распределение температур в твердой
и жидкой фазе по сечеяию отлижи куба в определенный момент процесса затверде-
пання. Куб с длиной граня У залит ери температуре tсталью с содержанием како-
го-либо элемента, например, углерода, определяемого точкой N по диаграмме состоя-
ний {ACJ — линия ликвидуса; АНК — в упрощенном виде линия солидуса). Темпе-
ратуры tn и tc являются температурами начала и конца затвердевания стали соста
in Й в условиях равновесия « отсутствия ликвация в эшвдкои состоянии.
При охлаждении до температуры начала затвердевании (температура (лточка С
на линан ликвидуса) выделяющиеся кристаллиты имеют состав D, определяемый пе-
тиции солидуса В этих кристаллитах содержание углерода меньшее, чем в жядхем
металле 'Поэтому окружающий образовавшиеся кристаллиты жидкий металл обога-
щается углеродом. При дальнейшем падании температуры (точка Е виутри интерва-
ла затвердевания) выделяется уже твердая фаза состава F с более высоким содер
жанием углерода. Образуются либо самостоятельно растущие кристаллики соста-
ва F, «ибо осаращяваются слов состава F на ранее образовавшихся от унелпшаю-
нгихся кристалликах состава D. Эта схема образования кристаллитов переменного
и IH вовсе .различного состава представлена па рис. 142, а, б
Есии охлаждение происходит настолько медленно, что достигается равновесие
при температуре Е, то в растущих кристаллитах между центральной частью D и
наружной зоной F происходит выравнивание состава путем диффузии. Прн этом
выравнивании средний состав кристаллика D—F будет все же отличаться от соста-
ва F, какой он должен иметь ио условиям равновесия. Поэтому из окружающей
жидкости будет происходить дооолнителыгая диффузия атомов углерода. В резуль-
тате ранее образовавшиеся и вновь образующиеся при температуре Е кристаллики
16*
244 Питейные свойства и первичная кристаллизация стали
получат одинаковый сост® F. Прн дальнейшем медленном ох ждевжя в условиях
равновесия, когда будет достигнуто полисе затвердевание (температура Гг, точка Я
на линии солидуса), все кристаллы получат одинаковый состав Н.
Рис. 142. Схема плиянвд на адквацню дендритного строения в температурного гра-
диента но сечению отлввкн в периоде ее затвердевания, а также влияния интервала
затвердевания и неполноты диффузии элементов
Таких образом, затвердев айне всякого ептааа типа твердого раствора, имеюще-
го софеделаяыГ интервал ватвердеввяля, определяется но равлсыерности получае-
мого состава, двумя осаоияыми процессами:
1) образованием м ростом кристаллитов в жидком ме-
та л ле;
2) гомогенизацией (достижением однородности) состава в различ-
ных частях каждого кристаллита:
а) путем диффузии между центральной и наружной зоной кристаллит»;
б) путем двффуэда между кристаллитом и окружающим его слоем жидкого
металла.
Если скорость образования и .роста кристаллов (скорость затвердевания —
процесс 1) больше скорости гомогенизации (яьгравнвванве состава путем диффу-
зии - процесс 2). то равновесие не достигается. Изменение состава металла
прн его затвердевай mi уже не следует линии солидусе диаграммы состояний. Полу-
чаемые кристаллы имеют неоднородный состав.
В практических условиях изготовления стальных отли-
оок скорость затвердевания всегда больше скорости цнффу-
*йи с опт ве г ?тв у ющнх ♦тементои состава стали Затвердил
пне сгалн в отливках поэтому никогда не соответствует
условиям диаграмм состояний, и получаемый состав всегд!
отличается неоднородностью.
В действктелыгых условиях затвердевания кристаллы при температуре Е име-
ют не однородный состав F, а внутреннюю зону, близкую к составу D и наружную
к Е Поэтому средний состав растущего кристаллита прн температуре Е отвечает,
например, почке F'. При температуре (£ средний состав отвечает уже не Н, а Н',
т. е. при достижении температуры солидуса по диаграмме состояний, составы всех
образовавпжхея кристаллитов имеют более низкое содержание соответствующего
элемента. Вследствие этого, жидкая часть сплава обогащается давиьи элементом но
сравнению с тем содержанием, которое должно быть но диаграмме состояний (точ-
ки С', J’ по Сравнению с тачками О, J лияии ликвидуса).
Следовательно, при температуре солидуса t , ептза находится еще частичке
в жидком состоянии. Необходимо дальнейшее охлаждение до температуры Те’. чтобы
началось затвердевание оставшегося маточного обогащеиюго раствора. При этхмг вы-
деляется твердая фаза состава К. Она будет иметь содержание данвэго элемента
уже более высокое, чем было в исходном жидком металле JV ж чем должно было
получиться при полисы его затвердевании по диаграмме сюстояшй Н Сост® выде-
ляющейся твердой фазы изменится от Н до К. Средний состав ее в конце концеп
бутст соответствовать исходному (точка М1.
Ликвация в стальных отливках
245
Рассмотрение процесса затвердевания сплава состава Л' прервано в схеме
рис 142 на получении состава Ц ’—К. В действительности последняя кап-тж маточного
раствора затвердевает прн температуре еще более низкой, и точка М должна вако-
диться по вертикали ниже. Изменение среднего состава твердой фазы от К' до .41
следует по кривой, асимптоиатачески приближающейся к вер тика ти МН-
Таким образом, неполнота выравнивания состава во время затвердевжая выли-
вает увеличение интервала затвердевания от СИ до СМ. Конец затвердевания будет
вместо температуры tc наблюдаться значительно ниже — в точке М. Ход затверде-
вания будет следовать не но кривой /, а по кривой 2 (см. рис. 142). Изменен не со-
ставов твердой и жидкой фаза будет мгти не по линиям равновесных лтвкдуса
ACGJ и солидуса ADFff, а по линиям неравновесных, метастабнльных ликвидуса
CG'J' и солидуса DPff'K' ...М.
Положение в форма фактических лиий ликвидуса к солидуса и их отклоне-
ние от равновесных по диаграммам состояний будут определяться условиями охлаж-
дения (скоростью затвердевании отливки) и способностью соответ-
ствующих элементов состава металла к диффузии (выравниванию состава).
Чем медленнее охлаждение (массивная отливка, песчаная форма),
гем, при прочих равных условиях, чище и равномернее состав наруж-
ных кристаллитов, но больше развивается зональная, положительная
ликвация в верхних и срединных зонах отливки.
Чем быстрее охлаждение (тонкостенная отлнвка, металлическая
фирма), тем меньшее развитие получает зональная ликвация, но более
неравномерен состав отдельных кристаллитов, больше развивается
кристаллическая ликвация.
Прн одинаковой скорости охлаждения: чем больше наклон и рас-
стояние между линиями ликвидуса и солидуса, что определяет разницу
в составах твердой и жидкой фаз, чем меньше диффузионная способ-
ность элементов состава металла, чем крупнее кристаллиты, чем больше
междендритных каналов и промежутков между ними,— тем больше
развиваются процессы ликвации.
3. Нормальная зональная ликвация
Приведенные на рис. 139 и 141 схемы распределения зон неодно-
родных составов должны рассматриваться, как следствие нормальной
зональной ликвации в отливках. Она распространяется на те части
отливки, которые затвердевают последними, т. е. на срединные части ее
по сечению и на верхние, вблизи прибылей, по высоте отливки. В круп-
ных считках различного веса до 172 т определена следующая неодно-
Нормалыия зовалыиш ликвация по сечению отлпвхи
246 Литейные свойства и первичная крнстцллизация стали
родность в содержаниях углерода, серы и фосфора в зонах нормаль-
ной зональной ликвации по сечению отливки (на % ее высоты)
(табл. 30).
По высоте слитков определена следующая неоднородность состава
(табл. 30а). Таблица 30а
Нормальная зомльвая пнаяания в крупных стальных стятиах весом
Слиток от 3,5 до 172 т Верхняя часть отливки
Нижняя часть отливки Средняя по высоте часть от лпики
№ вес, тп элемеят
7 3,5 Средний анализ жидкого металла в ковше
О,38»/0 С 0,037% S 0,04% Р
С S Р । 0,36 0,033 0.040 0,35 0,031 0,036 0,63 0J164 0,074
10 10.5 Средний апл т из жидкого металла в ковше
0,30% С 0,017% $ 0.010»/, р
С S р 0,24 0,011 0,009 0,22 0,0^8 0,009 0.42 0,042 0,015
11 20 Средций знатна жнадрго металла в ковше
0.21% С 0,032% S о.о*Л Р
с S 0,17 0.027 0,042 0,22 0.025 0.049 0,25 0.035 0,051
— — —
16 110 Средний анализ жидкого металла в ковше
0,27% С 0,033% S 0.0240/, Р
с S 0,17 0,025 0,025 0,26 0,033 0,026 0,45 0,073 0,063
18 172 Средний апач из жидкого метатез в ковше'
0,32% С О,О270/о 5 0,033% Р
с S 0,188 0,016 0,024 0,371 0,038 0,033 0,575 0,085 0.087
Из таблиц видно, что неоднородность состава может достигать в срединных зонах по высоте отливок до 300% по углероду, до 500% по сере и до 300% по фосфору. Это, конечно, крайние пределы, для самых массивных отливок. Для средних по весу отливок эти значения меньше, причем, как правило, неоднородность состава по высоте отливки получает большее развитие, чем по сечению.
Ликвация в свальных отливках
247
Необходимо отметить, что центральная осевая часть отливки
в средней части ее высоты по химическому анализу обычно мало отли-
чается от состава жидкого металла или наружных зон отливки
(см. рис. 139 и табл. ЗОа). Однако в практике часто определяют лик-
вацию по разрезу отлюкн путем его травления или снятия специаль-
ной пробы Баумана (сернистых отпечатков на бромосеребряной
бумаге). Прн этом обычно находят повышенную травимость и большое
потемнение отпечатков Баумана в осевой части отливки. Получающееся
противоречие с данными химического анализа является только кажу-
щимся. Повышенная травимость в интенсивно темная окраска отпечат-
ков центральной зоны отливки обусловливаются не только ликвацион-
ными выделениями, но и мельчайшими порами, микроусадочныМи рако-
винами в этой части отливки (положение акад. Н. Т. Гудцова).
Таким образом, наиболее интенсивное распространение нормальная
тональная ликвация имеет в верхней части отливки, у прибыли
(ликвация прибыльной части), затем в срединных зонах отливки
(внеосевая д -ликвация) н, наконец, в центральной зоне отливки
(осевая V-ликвация).
Очевидно, что подобная неоднородность состава металла
не только влияет иа неоднородность свойств отливки в ее различных
частях, но и резко ухудшает эти свойства в ликвационных местах.
4. Обратная зональная ликвация
При процессе обратной зональной ликвации наружные
части отливки получают тот химический состав, который должны были
бы иметь срединные зоны отливки при нормальной зональной
ликвации.
Это явление особенно часто встречается в отливках нз цветных
сплавов (меди с оловом, алюминием и др.), в отливках из чугуна
и редко из стали. Характерно, что оно особо резко проявляется в отлив-
ках, залитых в 'металлические формы. При медленном затвердевании
в песчаных формах получается обычно только нормальная зональная
ликвация. В зависимости от скорости охлаждения могут сосущество-
вать процессы нормальной и обратной зональной ликвации.
Из многочисленных теорий, объясняющих процесс обратной лик-
вации, можно во всяком случае, установить, что. чем больше
интервал затвердевания сплава и больше усадка,
тем больше, при прочих равных условиях, обратная
ликвация.
Как известно, при большом интервале затвердевания первичная
кристаллизация металла характеризуется интенсивным образованием
дендритов. При быстром их образовании, сильном охлаждении и боль-
шой усадке маточный раствор, в котором происходит ликвация и выде-
ляются газы, выдавливается (выпотевает) через мельчайшие каналы н
поры междендритных пространств наружу. Поверхность отливки, отхо-
дящая под влиянием усядкн от стенок формы, покрывается как бы
«каплями пота». Подобное выпотевание капель ликватов возможно
в полость усадочных и газовых раковин.
В практике производства стальных отливок автор иногда наблюдал
явления обратной ликвации только в тонкостенной части изделий из
стали с 0,5—0,6% С, заливаемых в металлические формы. При механи-
ческой обработке этой части иногда обнаруживались отдельные блестя-
щие пятна твердого металла (с 0,7—0,9% С), затруднявшие обработку
н называвшиеся поэтому «твердовинами» ’.
1 Теонин ствердотипы» предложен проф. ) М. П. Слапинским| (75].
z4S Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
Вследствие небольших участков поражения отливок обратная
зональная ликвация значительно меньше влияет на их свойстаа, чем
нормальная-
s. Ликвация по удельному весу
Следует различать три типа ликвации по удельному весу
Первый тип — уже рассмотренный выше процесс образования
несмешивающихся слоев в жидком металле при длительной его выдерж-
ке. При этом, естественно, более тяжелые компоненты сплава распо-
лагаются в нижних уровнях жидкости.
Второй тип — всплывание или погружение в основной массе
жидкого металла, при неполном смешивании, тех обогащенных слоев,
которые образуются вокруг растущих кристаллитов при избирательном
их затвердевании.
Третий тип — падение в спокойной жидкости первоначально
образующихся чистых по составу кристаллитов. Это является по суще-
ству процессом отрицательной ликвации (см. рис. 141) особенно за-
метной в ма ссн в н ы х и высоких отливках.
Например, в отливке большого стального прокатного валка опре
делено следующее содержание углерода: в нижней цапфе 0,215% С
(в ковше было 0,24% С); посредине высоты (в бочке) 0,309% С; в
верхней цапфе (под прибылью) 0 314% С.
6. Красталлическая (дендритная) ликваиня
Как указывалось, кристаллическая ликвация всегда
имеет место в отливках, так как при затвердевании даже одно-
родного сплава, дающего твердый раствор, происходит образование
неоднородных по своему составу кристаллитов.
Кроме величины интервала затвердевания и скорое н егс прохож-
дения, решающее влияние на процесс кристаллической ликвации ока-
зывает способность ликвирующего элемента к диффузии. Известную
роль играет процесс диффузии в твердом металле непосредственно
после его затвердевания.
Пропеес диффузии «довивается на законах, сформулированных Фнхом
dS=» — D - F dz,
dje
где dS — количество элемента в г, диффундирующего за время dz через сечение F
прв иоыцевтрацяовиом градиенте -dr и при определенной константе для данного
элемента D, называемой коэфициентом диффузии
Рассматривая узлы кристаллической решетки как центры колебательных дви-
жений атомов, амолятуда которых увеличивается с повышением теюературы, можно
представить ателаявзм диффузии. В металле, имеющем строение твердого рэствофа
По типу замещения, процесс диффузии протекает путем перемещения соответ-
ствующих атомов но узлам решетки. В металле, имеющем строение твердого раство-
ра ио типу внедрения, диффундирующие атомы могут мигрировать только через
ыеждиатомиые промежутки
В связи с этим было установлено, что диффундирующий атом должен иметь
определенный минимум энергии Е для того, чтобы преодолеть нормальный потащи
1 Так диффундирует атомарный водород в стали, h pi ж и мая по современным
представлениям, что в уздах решетки находятся положительные иолы, окруженные
потоком «газа» нам «жидкости* электронов (см. стр- 731 следует рассматривать
процесс диффузии и металле ноиов и электронов. Дл упрощежня здесь, как
Н в дальнейшем, принимается только движение коп—атомов итп просто атомов.
Ликеацил в стальных отливках
24У
«льяый барьер решетки В аналогии со скоростью химических реакцй# <41ычн4
пользуются формулой для определения коэфициента диффузии.
где Q то активации процибса диффузии.
W — чк ю А .» а
h — пе „и.ця Ил'и<
Ь — междуатомное расстоя' •
R — хаэопая сюстояннаи и
Т - абсолютная темпераг7;.
Для соределеяия коэфннм^п диффузия в твердых метал. можно пользо-
ваться упрощенкой формулой
|Де Л по тоянная.
Ил пра • . пых форм- . ,. ,г<1 ,|то диффузия возр.ктаег при увеличении кои-
цеятрацлонногс ^алиента, р цы в размерах атомов диффундирующего элемента
и сановного мет. ма и. особенно (гк> экспоненциальной зависимости), прн повыше-
нна температуры.
По различным исследованиям коэфициент диффузии углерода в марганцовом
|устсните при IW состаг’кет D — 3,0 -I0-7 слР/сек при низкой концентрации уг-
лерода (0,02% Cj и новый ется до D = 7.2 -10-7 слИ/сек прн 1.28% С
Благоприятным влиянием повышения температуры на скорость диф-
фузии пользуются при термической обработке стальных отливок. При
сильном развитии кристаллической ликвации применяют процесс гомо-
генизации, т. е. диффузионного отжига при более высоких темпе-
ратурах, чем при нормальном отжиге. При этом путем диффузии обеспе-
чивается равномерность состава кристаллитов значительно полнее,
хотя нормальный отжиг также является диффузионным процессом.
Таким образом, используя диффузию в твердом металле, можно
тем или иным режимом термической обработки уменьшить неоднород-
ность состава из-за кристаллической ликвации Неоднородность же
из-за зональной ликвации никакими средствами термической обработки
нельзя уменьшить в пределах, имеющих практическое значение.
Обусловлено это большим распространением области зональной ликва-
ции и малой диффузионной способностью ликвирующих элементов
Кроме того, кристал титы литого металла, как указывалось, имеют
искаженные решетки на границах и межкристаллитные пленки, являю-
щиеся npHMtrt барь-ром для многих диффундирующих атомов.
Поэтому в литом металле уменьшение неоднородности состава
имеет место преимущественно только внутри отдельных кристаллитов.
Лишь в некоторых случаях возможно выравнивание состава в несколь-
ких рядом расположенных кристаллитах (при тонкой, раздробленной
длительной выдержкой при высоких температурах межкрасталлитной
пленке).
В связи с этим б стальных птливках часто наблюдается, что
дендритное строение, получающееся в результате кристаллической
ликвации может быть настолько устойчивым, что даже очень
длительная гомогенизация не сможет его разрушить. Это явление
прежде всего наблюдается в однофазной стали, имеющей сравни-
тельно крупное зерно, не измельчающееся при термической обработке,
так как оно не претерпевает превращений, рис. 143.
Однако в стали с фазовыми превращениями может также сохра-
няться устойчивая дендритная структура. Например, при большом разме-
ре зерен первичной кристаллизации или при большой разнице в концен-
траций ликвирующего элемента гомогенизация не разрушит дендрит-
ного строения. В этом отношении характерны легированные хромом
250
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
л никелем стали, имеющие сравнительно крупные кристаллиты и низкую
диффузионную способность соответствующих элементов (например,
коэфициент диффузии никеля в Fe-? при 1000° составляет всего
2,3 10-12 см^.сек, т. е. в сто тысяч раз меньше углерода.
Рис. 143. Деадрятиое строение аустенитной шкоконирганцоюй
(14% Мп) стали в каждом кристаллите, как следствие кристал-
лической лнкведни (слева). Не уничтоженное дендритное строе-
ние после гомогенизации (справа) (3 часа при 1150° С). X 100
Рве. I-М. Сильно развитое дендритное строение литой стали
с 0,8% С и 0.(3% Р из-за кристаттической ликвации, об-
условленное высоким содержанием углерода и фосфора (вверху).
Ослабленное. но не ликвидированное дендритное строение этой
стали, несмотря на гомогенизацию в течение 23 час при 1200°
(внизу). X ЮО
Особую устойчивость дендритной структуре литой стали сообщает
фосфор, как влемент, наиболее сильно ликвирующий из-за низкой
Уикеиция в ы ильных отливках
251
диффузионной способности к резкого влияния ни увеличение интерва-
ла затвердевания твердого раствора Fe — С — Р (рис. 144) [76].
Одной из разновидностей кристаллической ликвации является так
называемая карбидная ликвация. Она встречается преиму-
Рис. 145. Микротвердость отожженной (с 950°) литой стали
(0,27% С, 1,61% Мл и 0,45% Moi. меняющаяся от 176 да 254
(п фибор-. Никерса) в зерне феррита 362 ю 474
в -верке 1 •, .-»m_ '' I Л i
щественно в отливках из инструментальной стали, вызывая местные
скопления хромистых и вольфрамовых карбидов в виде эвтектики,
расположенной в межосных промежутках дендритов.
Это явление наблюдается и в нелегированной высокоугтеро-
днстон стали Например, в отдельных участках отливин из стали
с 1,3% С найдена ледебуритная эвтектика (содержание С >1,7%),
как следствие дендритной ликвации.
Из-эд кристаллической ликвации в литой стали даже прн обыч-
ном содержании угдерода и нормально^ отжиге наблюдается большая
разница в твердости отдельных элементов её микроструктур^, рис. 145.
[77].
ШШМЦ1М .. . им.ч. ; «Жммвш i
7. Газовая ликвация
I азовая ликвация получается вследствие того, что жидкий лик-
вированный маточный раствор, под давлением выделяющихся в нем
газов, проникает через капиллярные каналы затвердевающего металла
в полость газовых и усадочных раковин, расположенных в средних
и верхних зонах отливки, рис. 146
Проникшие лнкваты, затвердевая, занимают часть полости рако-
вины (рис. 146). Получается неоднородность состава металла в этой
части отливки, особенно в отношении серы и фосфора (ликваций серы
Достигает 150—175%, а фосфора 200—250%).
Явления газовой ликвации в фасонных стальных отливках, в от-
личие. от слитков нз кипящей стали, развиваются обычно сравнитель-
но слабо Объясняется это тем. что в массивных отливках, в которых
252
Литейные свойства и первичная кристаллизация стали
развивается зональная ликвация, крупные газовые раковины внутри
отливки образуются только в исключительных случаях. В тонкостен-
ных же отливках, более легко поражаемых газовыми раковинами,
даже в срединных частях отливки мало развивается зональная лик-
вация.
Рис. 146 Газовая ликвация в раковЧяах средне! в нейтральной зоны
слитка из кипящей стали рис. Ю7
Из изложенного следует, что развитие различных видов ликвации
и меры борьбы с ними определяются как физико-химическими свой-
ствами металла, так и условиями заливки и технологии формы.
Б. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СТАЛИ НА ПРОЦЕССЫ ЛИКВАЦИИ В ОТЛИВКАХ
1. Связь ликвации с неоднородностью распределения
элементов состава металла
Как указывалось, диффузионная способность элементов состава
металла, температурный интервал его затвердевания, газосодержание
и усадка оказывают весьма существенное алиянне на развитие про-
цессов ликвации в отливках. Наряду с этими факторами, все физи-
ко-химические свойства металла, определяющие строение его первич-
ной кристаллизации, оказывают также самостоятельное влияние на лик-
вацию. Теплоемкость и теплопроводность металла, его плотность, поверх-
ностное натижеине и вязкость влияют на размер и форму дендритов и
междендритных каналов, а следовательно, и на ликвацию. Объясняется
это тем, что процесс ликвации в значительной мере связан с механи-
ческим захлестыванием жидкого металла в межосных промежутках
дендритов. Вследствие этого жидкий металл не может быть оттеснен
растущими кристаллитами в центральные зоны отливки.
Ликвация в стальных отливках
253
Основным фактором влияния свойств металла на ликвацию являет-
ся распределение элементов между твердой и жид-
кой фазой в период затвердевания отливки.
Можно обозначить через Сг —концентрацию данного элемента
в твердом металле, образующемся в данный момент времени затвер-
девания отливки на определенном расстоянии от стенок формы, и че-
рез Сж — концентрацию этого же элемента в остающемся жадком
металле. Эти обозначения позволят определить понятие коэфи-
циента распределения
и козфициента ликвации
В этом понятии пренебрегается диффузия элемента в твердом ме-
талле. Предполагается также полная смешиваемость с основной мас-
сой жидкого металла того обогащенного данным элементом слоя
жидкого металла, который окружает растущий кристаллит.
Пользуясь диаграммами состояний н термодинамическими уравне-
ниями зависимости между составом и температурой плавления раз-
бавленных растворов, можно было определить расчетом значения fc
для ряда элементов состава стали, а также построить кривые распре^
деления этих элементов по сечению отливки (табл 31) [78]
Таблица 31
Распределение элементов между твердым
(в Fc-Ь) и жидким раствором их в железе [78]
Элемент Константа распреде- ления, k Коэфнцнент лнкванин (1-Л>
Углерод - 0,13 0.87
Кислород 0,10 0,90
Сера . . . 0,05 0,95
Медь . 0,56 0,44
Марганец 0,84 0,16
Кремнвй . 0.66 0,34
Фосфор . = 0,13 0,87
Как видно из этих данных, константа распределения (к) и коз-
фицнент ликвации (1 — к) характеризуют ликвирующее влияние эле-
ментов состава металла. Чем меньше константа распределения к, т. е.
чем больше разница в концентрациях элемента
в твердой и жидкой фазе, тем больше коэфициецт
ликвации (1 к), тем больше ликвирует данный эле-
м е н т. Например, сера имеет к = 0,05 и ликвирует больше, чем сяець
(fc=0,56) или марганец (к=0,84).
254
Литейные свойства и первичная криста тлиэация стали
2. Меры борьбы с развитием ликвации в отливках
по вине металла
Из изложенного вытекают следующие меры борьбы с ликвацией
по причинам, связанным со свойствами металл*
1. Предельное уменьшение содержания наиболее
ликвирующих элементов в металле и тем в боль
шей степени, чем крупнее отливка.
2. Достижение по возможности равномерного рас-
пределения температур в жидком металле во время
процесса плавки и при разливке в ковше.
Однако последнее мероприятие требует длительной выдержки
металла в ковше. При этом может в известной мера развиться ликва-
ция в жидком состоянии. Таким образом, при разливке через дно
ковша наиболее здоровыми в отношении ликвации получатся только
отливки, залитые вначале.
3. Проведение в жидком меэалле процессов ыодифика-
ц и и (1 и И рода) для того, чтобы предотвратить образование чрез-
мерно крупных и сильно развитых дендритов.
4. Полное раскисление стали и всемерное понижение содер-
жания газов и неметаллических включений в ней.
5. Заливка при возможно более низкой темпера-1
туре металла Это мероприятие имеет большое значение, особенно
для крупных отливок. Оно влияет не только прямым путем на умельче-
нне строения при первичной кристаллизации. Оно влияет также кос-
венно, путем ускорения затвердевания, на общее улучшение условий
кристаллизации.
При ускорении затвердевания разовьется1 дендритная ликвация.
Однако независимо от того, что она предпочтительнее зональной,
нужно отметить, что в некоторых случаях она может играть даже
положительную роль. В последнее время, например, специаль-
ными исследованиями установлено, что обогащение 1междендрнтных
промежутков рядом элементов состава стали ведет к повышению
прокаливаемое™ отливок. В связи с таким благоприятным влиянием
дендритной ликвации в определенных условиях термической обработ-
ки отливок получает промышленное применение даже спектральный
анализ кристаллической неоднородности их для установления правиль-
ного режима закалки.
Вопрос о скорости затвердевания отливок, как регуля-
торе процессов ликвации, имеет исключительно важное значение
и связан преимущественно с влиянием формы.
В. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ НА ПРОЦЕССЫ ЛИКВАЦИИ
В ОТЛИВКАХ
Влияние формы может быть весьма существенным для развития
лвквацип и распространяется на условия заливки, охлаждения,
затвердевания, а также конструирования отливки.
1. Влияние условий заливки на ликвацию
Малая скорость заполнения формы оказывает такое же бла-
гоприятное влияние на торможение процесса ликвации, как и низ-
кая температура заливки
Ликвация в стальных отливках
253
Например, в одной специальном исследовании било залито 47 слит-
ков никелехромомолибдевованадаевой сталью -со скоростью от 1500 до 2750 кг!мик
или от 27 до 60 мм1сек по высоте слвтка (вес слитка 700 кг, вмсота около 1000 леи.
время заполнения от 15 до 35 сек). Температура заливки варьировалась в преде-
лах 1575—1525°. Слиток, залитый в наиболее благоприятных условиях (1525° —
30 сек), показал минимальное развитие и V-
ликаации одновременно с минимальным распро-
странением зоны столбчатых кристаллитов.
Особое влияние на ликвацию оказы-
вает движение жидкого металла в процес-
се затвердевания. Это влияние было уже
давно замечено Д. К- Черновым. Оно особо
сильно проявляется при центробежной за-
ливке или при повороте формы после за-
ливки. При этих процессах смягчается или
даже вовсе исчезает ярко выраженное ден-
дритное строение стали и распределение
ликватов получается совсем иным, чем при
затвердев шми спокойной жидкости, рис. 147.
При центробежной заливка давление
жидкого металла повышается по мереуве
личения расстояния от оси вращении,
удельного веса металла и скорости враще-
ния. Благодаря этому, как известно, тяже-
лые элементы металла распределяются на
наружных, а относительно легкие, в том
числе газовые и неметаллические включе-
ния, на внутренних поверхностях отливки.
Поэтому в центробежных отливках процесс
ликвации ifo удельному весу всегда более
развит, чем в отливках, залитых в стацио-
нарные формы. Во внутренней зоне цент-
робежных отливок всегда наблюдается по-
вышенное содержание углерода, фосфора,
серы.
2. Влияние на ликвацию скорости охлаждения отливки л форме
Наиболее благоприятными условиями охлаждения отшивки в форме
для уменьшения ликвации следует признать быстрое охлажде-
ние в процессе затвердевания п медленное непо-
средствен по после кристаллизации.
Однако трудно применить практически какие-либо Мероприятия
для очень «••таенного охлаждения отливки непосредетвенъ^ после ее
затвердевания.
Выравнивание состава путем диффузии гораздо целесообразнее
производить последующей термической обработкой (гомогенизацией)
Всемерное же ускорение затвердевания — практически осуществимо и
является эффективным мероприятием борьбы с зональной ликвацией.
В этом отношении имеет большие преимущества кокильная заливка
стальных отливок (табл. 32).
В Массивных отливках, -в особенности залитых в песчаную форму,
большое развитие получает зона д-ликвации, так называемые «усы»,
рис. 148.
Этот вид ликвации наиболее вреден для качества отливки. Ее зо-
ны нарушают сплошность отчивкн и являются местями концентрации
газовых и неметаллических включений (сульфидов). С увеличением раз-
мера отливки, повышением температуры формы, температуры id скоро-
сти заливки увеличиваются длина, сечение и число «усов».
256
Литейные свойства и первичная кристаллшчция стали
Таблица Ы
Неоднородность состава по углероду, фосфору, и сере слит-
ков весом 8 т, залитых и песчаную и металлическую форму
(изложницу)
Неоднородность по со держанию, %
i Форма
С Р S
2 Шамотная до 156 до 178 до ЗВ
I Чугунная 143 126 181
Ряс 148. Ралрезы слитков весом 720 кг из никелехро-
и истой стали (0,16% С, 0,012% Р. 0,01% S, 4.12% Ni
и 1% Сг), валнтых в чугунную форму (слей) и шамот-
ную, нагретую па 600° С (справа)
Так как «усы» и зона Л -ликвации расположены обычно на грани-
це между столбчатыми и внутренними равноосными кристаллитами, то
в отливках с сплошной транскристаллнзацией или сплошным равно-
осным строением они вовсе отсутствуют. Прн заливке холодным «метал-
лом или в песчаные формы они ближе расположены к наружным по-
верхностям отливки, чем при заливке в металлические формы. Это
доказано экспериментально исследованием, при котором заливка стали
производилась в комбинированную форму нижияя половина из чугуна,
верхняя из шамота [50].
Ликтцкя в епыьнде отливках
351
3. Влияние на ликвацию конструкции отливки прн заливке
Рассматривая влияние конструкции отушвки при заливке, т. е. от-
ливки уже с припусками на обработку и с прибылями, нужно прежде
всего отметить влияние толщины стенок. Влияние массивных
толщин стенок на развитие зональ-
ной, а тонких толщин на развитие
дендритной ликвации уже излагалось.
Влияние сечения слитков средних раз-
меров, залитых в металлические фор-
мы, на развитие зональной ликвации
углерода, фосфора и серы представле-
Рнс. 1Б0. Схема рас-
пространении в слитке
БОО X БОТ мм зовы не-
однородности в содер-
жании углерода, лре-
вышающей .0,01 % (в жит-
ной стали 0,40% С)
0 ШЮ ЗМО зона ^/00 sow.
fpeSnee revenue слитно
Рис. 149. Влиянпо сечения
слитков на развитее зо-
нальной ликвации углеро-
да, фосфора и серы
но на рис. 149 |76]. Очевидно, что для фасонных отливок, заливаемых
в песчаные формы, йти данные должнй рассматриваться, как мини-
мальные.
Наиболее эффективным мероприятием борьбы с зональной ликва-
цией в массивных отливках, особенно заливаемых в песчаные формы,
является применение внутренних холодильников. Наряду
с этой мерой большое значение имеет установка мощной прибы-
ли, назначение которой, как указывалось, — не только напитать уса-
дочную раковину, но и впитать в себр ликваты, выделяющиеся в рабо-
чих сечениах отливки.
При недостаточном размере прибылей, часто конструируемых без
учета рассматриваемого их влияния на ликвацию, в отливке обычно
получается бблыпая неоднородность состава. Например, на рис. 150
представлена схема распространения в отливке области с повышенным
более, чем иа 0,01% содержанием углерода. Область, соответствую-
щая содержанию углерода в жидкой стали, простирается только на
70% по .высоте отливки.
Чем меньше размер прибыли, тем меньшая часть
общей высоты отливки оказывается свободной от
развития ликвации (табл 33).
17 3»км 78. ТО. А. Нехеидзи
258
Литейные свойства ч первичная кристаллизация стали
Таблица 33
Влияние объем» прибыли и» ликвацию углерода по «ысоте отливки 500 X 600 мм
из стали с 0,4% С
1
Прибыль. I Прибыль:
объем—17и | объем -15, ^,0
вес —13,3»/0 вес —12.2®/а
Прибыль.
объем—!4 3®/0
вес в
Прибыль:
объем—13.20,'0
вес -10,24/»
ликвация углерода, »/в
87
83
Выше перехода
.читка в прибыль
4-0.041 I 0,037
4-0,041 | 0,046
4-0 03
0,041
0,040
0,043
0,058
0,058
0,045 0,059 0.025
0,042 0,046
0,094 0,042
0,034
0 030
0,105
0,055
0,045
1 Средняя вона слитка.
1 Центральиая зона слитка.
В тех случаях, когда прибыли недостаточных размеров засыпа-
ются углистыми добавками для повышения эффективности их дей-
ствия, происходящее науглероживание стали еще более ч’величиваст
неоднородность состава отливки и вызывает брак.
Н;: пример, при обработке плоскости массивного шабота Под при-
былями, которые засыпались древесным углем, были обнаружены
очень твердые места, ломавшие резцы. Шабот весом около 50 т зали-
вался из двух мартеновских печей обычной углеродистой сталью со-
става (в %):
С S, |мп | Г | S
I 0,27 0,32 0,54 |о,026 0,022
2 | 0,25 0,38 | 0,65 [0.031 I 0,028
Анализ стружки нз твердых мест показал (в %):
0,76
0.09S
0,130
0,036
0,044
Недостаточный размер прибылей может явиться также причиной
ликвации по удельному весу, если для улучшения их действия произ-
водят «качание». При механическом движении тонкого железного
прута в жидком еще металле прибыли крупные кристаллы отрыва-
ются от ее стенок н погружаются в отливку. В практике втора были
обнаружены подобные дендриты, повиснувшие на мелких кристаллитах
уже затвердевшей части отливки (в верхней части фланца крышки
гидротурбины весом 45 г из никелехромистой стали).
Следует также отметить, что коническая форма отливки, уширяю-
щаяся кверху, обеспечивая направленное затвердевание в сторону при-
Ликвация о стальных отливках
229
были, способствует очищению отливки от ликватов. В отливках же
с равномерными толщинами стенок, обычно небольшой толщины, явле-
ния зональной ликвации вообще мало заметны.
4. Меры борьбы с развитием ликвации в отливках по вине
формы
Из изложенного следует, что правильной конструкцией отливки
и надлежащим режимом ее заливки и охлаждения можно значительно
уменьшить вредное влияние зональной ликвации.
Основными мероприятиями являются:
1) заливка отливок (в стационарных формах) с возможно малой
скоростью;
2) заливка в кокильные формы или широкое применение на-
ружных и внутренних холодильников;
3) установка мощных прибылей и поддержание их возможно
более длительное время в жидком состоянии (во весь
период затвердевания отливки);
4) конструирование массивных отливок с обеспечением условии
направленного затвердевания к прибыли;
5) подвод металла по тем же принципам, которые применяются
для борьбы с усадочными раковинами (способствующим на-
правленному для крупных и и одновременному затвердеванию для
мелких отливок).
17*
ОТДЕЛ ВТОРОЙ
ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА И ВТОРИЧНАЯ
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ В ОТЛИВКАХ
7 1
ГЛАВА IX
ВТОРИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ В ОТЛИВКАХ
ПРИ ОСТЫВАНИИ В ФОРМЕ И В ПРОЦЕССАХ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
В отливках при остывании в форме -после затвердевания развива-
ются процессы вторичной кристаллизации. В зависимости от состав'^
могут произойти превращения 5 -твердого раствора в 7 -твердый рас-
твор м грануляция последнего при охлаждении до Аг3. По границам
и внутри зерен первичной кристаллизации в интервале температур Arj-i
происходит превращение 7-твердого раствора (аустенита) в г-твердый
раствор (феррит). Выпадают карбиды (цементит), образуются перлит
и другие элементы микроструктуры металла *.
Как известно, в курсах «Металловедение» под вторичной кристал-
лизацией при охлаждении понимаются процессы, происходящие только
при точке Лга и ниже ее. Но в отливках, охлаждающихся от темпера-
тур солидуса, процессы превращений твердых растворов Fe-б в Fe-f и
грануляция аустенита до последующих фазовых превращений, должны,
ио существу, также рассматриваться совместно с процессами не пер-
вичной, а вторичной кристаллизации стали.
Процессы превращений Fe-б я Fe-y прямо связаны с соответству-
ющей перестройкой кристаллической решетки и образованием новой
фазы. Процессы же грануляции дендритов и крупных кристаллитов,
полученных при первичной кристаллизации, ведут к образованию вну-
три них и по их границам большого количества аустенитных зерен. Эти
зерна, продукт грануляции, имеют различную ориентацию друг отно-
сительно друга. Их образование может привести по существу к исчез-
новению дендритов, как кристаллического индивидуума» если только
дендриты не обладали особой устойчивостью. Как указывалось на
стр. 95, в охлажденной отливке дендриты после грануляции смогут
выявиться лишь прн специальном травлении, вскрывающем участки
дендритной ликвации
Число, форма, размер и расположение аустенитных зерен зависят
от размеров и формы первичных кристаллитов, дендритов, и от скоро-
сти охлаждения отливки в интервале грануляции. Чем выше содержа-
ние углерода в стали (доэвтектоиднок), тем больше температурный
1 В стали для фасонных отливок, кроме углерода, имеются всегда другие эле-
менты. дающие также твердые растпоры с железом. Комплексные растворы в Fe-y
в дальнейшем называются аустенитом, а в Fe-« — ферритом В отдельных случаях,
при большой концентрации соответствующего элемента, даются специальные назва-
ния, например, «марганцовый аустенит», «хромистый феррит* и т. п. Аналогично
в стали для отливок нет в чистом виде цементита (Fc3C): имеются сложные твердые
растпоры карбидов, кристаллическое строение которых близко к цементиту, и специ-
альные карбиды, обладающие уже другим строением.
Вторичная кристаллизация стали е отливках
2в1
интервал' грануляции (см.стальной угол диаграммы состояний, рис. 227).
Чем толще стенки отливки, чем медленнее охлажде-
ние, чем меньше чужеродных зародышей кристалли-
зации— тем крупнее аустенитные зерна при грану-
ляции. Рассматриваемое влияние скорости охлаждения на процесс
грануляции было впервые исследовано Н. И. Беляевым в 1912 г.
Элементы микроструктуры стали в остывшей отливке являются
продуктом вторичной кристаллизации, продуктом распада и превраще-
ний аустенитных зерен, образовавшихся при грануляции.
Форма и взаимное расположение этих элементов «вторичной струк-
туры* стали зависят от ее состава, величины первичных кристаллитов,
процессов ликвации в них, характера газовых и неметаллических вклю-
м;ний. Решающее влияние оказывает часто скорость охлаждения.
Таким образом, процессы и строение при вторичной кристаллизации
стали в отливках определяют, я первичной кристалли-
зацией Они в известней мере связаны т<кже с литейными и физико-
химическими свойствами та । та и технологией формы.
При нагреве и о».таи, и нии в процессах термической обработки
в отливках повторно рвэвивается вторичная криста?пизация. Ее строе-
ние также связан:»к особенностями строения при*первичной кристал-
лизации.
В отливках из аустенитной или ферритной стали, не имеющей
фазовых превращений,' в определенных условиях охлаждения может
произойти выпадение карбидов, нитридов и др’-гнх соединений. Но раз-
мер зерна первичной кристаллизация останется без ыяких изменений.
Поэтому в таких отливках получение надлежащего размера зерна опре-
деляется мероприятиями, принимаемыми только при первичной кристач-
лизации.
В отливках же из стали, имеющей фазовьи превращения, происхо-
дит не только выпадение соответствующих со-линений, но и изменение
кристаллической решетки. Счедовательно, мо?» т изменяться размер
зерна первичной кристаллизации, хотя печать -е остается в отливке на-
всегда. В этом влиянии первичной кр|гталлизации кроется основное
различие строения и соответственно свойств изделий, получаемых путем
отливки илн обработки давлением.
Известно, что особенностью первичной кристаллизации стали яв-
ляется наличие на границах зерен межкристаллитной плеикя и иска-
женных кристаллических решеток. Они препятствуют изменению раз-
меров первичных зер,ен и процессам диффузии между ними. В металле
же, претерпевшем обработку давлением, межкристаллитная пленка
раздробляется, напряженные границы зерен первичной кристаллизации
претерпевают изменения.
В литом металле, под влиянием изменения объема первичного зер-
на при фазовом превращении — также возможно частичное разрушение
межкристаллитной пленки и даже умельчение этого зерна, как показа-
ли работы ] М. П. Славинского | [79]. Однако, напряженное состояние
пограничных участков, искажение атомнокристаллических решеток
•в них обычно остается при любых режимах термической обработки
отливок.
Таким образом, наличие не полностью разрушенных
пограничных зон первичных кристаллитов являет-
ся отличительным признаком строения лптого ме-
талла. Это оказывает решающее влияние на свойства литого ме-
талла даже в тех случаях, когда внутри первичных кристаллитов полу-
чается строение такое же, как и в металле, прошедшем не только тер-
мическую, но и пластическую обработку.
262 Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
I. ВТОРИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ
В ОТЛИВКАХ ПРИ ИХ ОСТЫВАНИИ В ФОРМЕ
Самопроизвольная и вынужденная межкристаллитная н «нутрикристаллктная
вторичная кристаллизация
Углеродистая н яязколегироваявая сталь, применяемая для фасонных отливок,
имеет фазовые превращения Вторичная кристаллизация, аналогично первичной,
должна рассматриваться не только как самопроизвольная, но и как вы-
нужденная.
Наряду с самопроизвольным образованием центров кристаллизации различных
элементов структуры, в литом метал те образуются дополнительные центры из имею-
щихся зародышей. Они находятся прежде всего по границам зерен первичной кри-
сталлизации, по расположенным там неметаллическим включениям п межкристал-
литной пленке, рис. 15! [76].
Уже особое напряженное состояние пограничных участков аустенитных зерен
способсгиует образованию в них многочисленных центров вторичной кристаллизации-
Рис. 151. Микростроевке литой стали (0.3% С),
закаленной с температуры на 30° ниже Агг-
Вляяние неметаллических включений (сульфи-
дов) как зародышей кристаллизации ррита.
X 200
Дисперсные неметаллические включения внутри зерна могут также являться заро-
дышами кристаллизации для продуктов распада аустенита.
Процессы самопроизвольного образования новой фазы из нестабильной старой,
как и для всяких гетерогенных систем, связаны с воэеяжновеяиеы поверхностей
раздела между новой и старой фазой. Эти процессы определяются двумя стадиями:
I) образованием и 2) ростом зародышей.
В твердом металле, имеющем строение твердого раствора типа замещения нэп
внедрения, атомы растворенного алемента распределены беспорядочно. В кристалли-
ческих решетках получаются различные отклонении (флюктуации! от среднего
состава.
Вследствие создающегося коицектрацновяого градиента в непрерывного колеба-
тельного движения атомов осуществляется процесс диффузии (перескок атомов ло
узлам решетки в твердых растворах замещении и миграции в ыеждуатомных проме-
жутках твердых растворов внедрения). В результате получающихся еголкиовеннй
и колебаний атомов, в отдельных участиах могут созиетъеи условия, необходимые
для образованна зародыша новой фазы.
Частота образования зародышей J при самопроизвольных флюктуациях опре-
деляется нз уравнения 1
I См. также формуты па стр. 173.
Вторичная кристаллизация стали в отливках
где с — число столкиовений [обоэкичеяо
муле (36а). стр. 173];
А — работа эвродышеаання;
к — гоист аята Больцмане:
Т —- абсо потная температура.
коэфициентом пропорциональности в фор-
Для твердых растворов можно, учитывая процесс диффузии и экспоненциаль-
ную зависимость его от температуры (си. формулу стр. 249\ применить для опре-
деления числа самопроизвольных зародышей нзвестноз уравнение:
О Л(О
J = c, e кге *г
_ Q
Величина е ₽Г характеризует условия диффузии, а А (Г) —работ? иа г!мол,
требуемую для образования зародыша.
Работа зародышевания представляет по существу работу, требующуюся тля
образования поверхности раздела между новой п старой фазой ’. Она
имеет меньшие значения в участках но границам зерен, чем внутри их
Она имеет также меньшее значения при понижении температуры металла. осо-
бенно при его переохлаждении. Объясняется это тем. что при более низких темпера
турах уменьшается критической размер зародыша. Следовательно, меньшая работа
должна быть затрачена иа его образование. Частота же образования зародыша со-
ответственно увеличжяется.
Необходимо еще учесть, что в переохлажденном состоянии система обладает
большей свободной энергией, чем в состоянии равновесия. Поэтому при охтажденин
твердого раствора ниже соответствующих температур равновесных кривых раство-
римости образование зародышей протекает весьма интенсивно При выделения заро-
дышей н последующем росте новой фазы свободная энергия уменьшается до мини-
мума, соответствующего условиям равновесия. Таким образом, «дввжущнмм силами*
выделения новой фазы является уменьшение свободной энергии.
Выделившаяся част*ии пвеаЗ фазы растет. Скорость роста будет зависеть от
скорости, с которой атому растворимого элемента достигают позерхности раздела
старой и новой фазы. Эта скорость, в свою очередь, зависит от скороств днффузвк
и флюктуаций концентрация давнего элемента в твердом раст-воре.
На последних стадиях выделеяяя новой фазы замечается процесс ее коагу-
ляции и сфероидизации. Этот процесс определяется стремлением сяетв-
мы притти в состояние наименьшей свободной энергии с наименьшими поверхностя-
ми раздела путем растворения углов и ребер кристаллов, имеющих наибольшую
энергию.
Процесс сфероидизации карбидов имеет большое и самостонтетьное значение в
получении надлежащих структур стальной оттявки. Он ыожст быть проанализирован
известной формулой:
где М — молекулярный вес карбида:
я — его лояер.хяостнви энергия;
R и Т — газозая постоянная и гбеолютиая температура;
d — плотность карбида;
Si н 5а — молярные концентрации растворов, находящихся в равновесия с выде-
лившимися карбидами, имеющими радиусы кривизны поверхности Л и г?.
Из уравнения видно, что концентрации насыщенных растворов вокруг выле-
чившейся фазы зависят ие только от тевтеретуры. Оин зависят также от кривизны
поверхность раздета соответствующих фаз. Чем меньше радиус кривизны поверх-
ности (г), тем больше концентрации окружающего раствора (S).
Поэтому истинная растворймость углерода в аустените или феррите даже
в условиях равновесия ие может определяться толыад соответствующими кртиымя
предельной растворимое™ диаграммы состояний жел&зо-угтерод Онп дают лишь,
как отмечают К. П. Бунин и А И Кривошеев (80]. среднюю концентрацию.
Раствор аустенита окажется ненасыщенным у острых кознов пластинки карбида
и пересыщенным по отношению к плоским его сторонам. Вследствие этого острые
концы пластинок карбидов будут растворяться в аустените, а на птоецнх сторонах
их будут изаап.-» пься соответствующие выделения. Пластинка нагбида будет по-
степенна превращаться в сфероид.
1 Формула Гиббса иа стр 173 может быть в общем виде представ”*”* как
Л—yF-', где F— поверхность разделу,
264 Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Очевидно, что для такого процесс* требуется известное время, вследствие
чего он пожег протекать только при надлежащей «ыдержке в лроцессе тер-
мической обработки отливок. Прн охтлжценин же отливки в форме выделяющиеся
карбиды имеют обычно вытянутую, угловатую, пластинч аг у ю форму.
Изложенные положения о механизме вторичной кристаллизации в связи с вы-
делением новой фазы из раствора иллюстрируются известной схемой рис. 152.
Микроструктура металла изменяется во мере развития процесса выделения.
Перэоначатмш вылечившиеся малые зародыши растут Непрерывно выделяются ноем
Рис. 152. Схематически изображение процесса яыделеияя
новой фазы из раствора: местное и неравномерное распре-
деление выделений, преимущественно по границам зерен
и ио кристаллографическим осям внутри зерен
Зародыши и также растут Новая фаза распределяется по границам я внутри зерен.
Концентрация выделяющегося элемента в твердом1 растворе в соответствующих его
областях понижается.
Выделение новой фазы может происходить как в процессе охлаждения от-
ливки, так и при нагреве, вызывающем дисперсионное твердение отлйвки (напри-
мер. ва медистой стали).
Рис. 153. Схематическое изобра-
жение скорости превращения
одинаковых аустенитных зерен
на одинаковый промежуток вре-
мени в зависимости от скорости
образования зародышей и их
роста:
t — яаиерху влияние различной
скорости образования зародышей
по границах верна прн постоянно!)
вжороотн роста; Я — вниау — влия-
постоянноВ скорости образовал™
авродышеЗ
Размер получаемых зерен вторичной кристаллизации и скорость превращения
первичных зерен определяются соотношением между скоростью образования зароды-
шей и скоростью их роста (стр. 83). Можно математически доказать, что измене-
ния в скорости роста сильнее влияют иа скорость превращений, чем иэыевеяия
В скорости образования вародышей, что иллюстрирургуя известной схемой ряс. 153,
Вторичная кристаллизация стам, в отливках
Мб
В процессе вторичной кристаллизации стали продукты распада
аустенита могут кристаллизоваться, как указывалось, по границам или
внутри аустенитного зерна. Образование феррита или перлита по гра-
ч/Ицам аустенитных зерен зависит не только от состава стали, ско-
Рис. 154. Микростроение углеродистой стали после отжига. X120. Слева — фер-
ритная сетка по большому количеству включений сульфидов (сталь 0,24% С;
0.29% Si; 0,59% Мп; 0.051% Р; 0,065% S, Al и ковш — 0.03%. Отжиг 900°С/5(Рчас
механические свойства: as = 31 кгЬмР; ф — 15%; (о*= 1.2 кгм/слМ;
справа — перлитная сетка (сталь 0,22% С: 0,49% Si; 0,60% Мп; 0,023% Р;
0,012% S. Отжиг 9ТЮ°'С/50° час; йехйннческйе свойства «д=31 кг!лм& ф=50%;
И (a/r-z 9,5 KiKicxfi)
Рис. 155. Слева — сосуществование сетчатой и видманштет
товой структуры в сырой читай стали (0,27% С). Спра-
ва — сгрознне той же стали после двойной нормализация
(900°) и отпуска (650°). Х90
роста и режима охлаждения. Оно зависит также от наличия неметал-
лических включений, чужеродных зародышей кристаллизации и от сте-
пени неоднородности аустенита, получаемой вследствие ликвации.
Строение двух отливок нз стали практически одного состава по
содержанию углерода, марганца и кремния, но отличающихся различ-
ным количеством включений сульфидов (0,065 и 0,012% S) представлено
2*^6 Литейные свойства и вторичная кристалливация стали
на рис. 154 1. При одинаковой, скорости охлаждения в процессе отжи-
га. сталь с повышенным количеством включений, дала ферритную сетку,
а. с пониженным — перлитную.
Преимущественно внутрикристаллитное распределение феррита
дает известную видманштеттову» структуру. Выделения ферри-
та имеют в этой случае характер игл, расположенных внутри зерен по
кристаллографическим осям. Обычно в отливках после нх остывания
в форме сосуществуют сетчатая и видманштеттовая структура, рнс. 155.
Последняя особо характерна для медленно охлаждаю-
щихся массивных отливок, медленно проходящих зону грану-
ляции Эта структура, обнаруженная впервые уже давно в осколках
метеоритного железа, определяет низкие механические свой-
ства металла. Она может и должна быть всегда унич-
тожена последующей термической обработк_оЙ от
.гибки (см., например, рис 155, справа).
А. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ СТАЛИ НА ВТОРИЧНУЮ
КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ ПРИ ОСТЫВАНИИ ОТЛИВКИ В ФОРМЕ
Влияние на вторичную кристаллизацию основных свойств стали,
связанных с жидким ее состоянием, проявляется по существу еще при
первичной кристаллизации. Однако в в процессе остывании отлнвки
такие факторы, как количество, размер, форма и распределение неме-
таллических включений, а также неоднородность состава и размера
первичных кристаллитов. — оказывают существенное влияние Домини-
оующее и часто решающее влияние ни процесс вторичной кристаллиза-
ции в отливках оказывает состав стали.
1. Влияние неметаллических включений на вторичную
кристаллизацию стали в отливках
Размер зерна стали оказывает большое влияние не только на меха-
нические свойства, особенно ударную вязкость, но и на другие свой-
ства отливки. С уменьшением размера зерна механические свойства
улучшаются, однако ухудшается глубина проникновения закатки, обра-
батываемость, равномерность твердости поверхности отлнвки и т. п.
[81]. Во многих случаях необходимо найти оптимальное соче-
тание ряда подобных свойств отливки и для этого уметь регули-
ровать размер получаемого зерна.
Как известно, перечисленные свойства зависят не только от раз-
меров зерна вторичной кристаллизации в остывшей отливке, т. е. от
«действительного» размера зерна. Основное вчияние оказывает
тот размер аустенитного зерна, который был перед началом фазовых
превращений, т. е. «врожденный», «истинный* размер зер-
на |82].
Чем крупнее зерна аустенита перед началом превращений, тем
меньше относительная протяженность и поверхность их границ. Так как
вторичная кристаллизация начинается по границам зерен, то в более
крупном зерне аустенита процесс превращений будет иттн медленнее,
проникновение закатки будет глубже, рис. 156.
Выше отмечалось, что неметаллические включения, при благоприят-
ном размере и расположении, служат чужеродными зародышами кри-
сталлизации. Вследствие этого они умельчают строение и уменьшают
1 Из диссертационной работы О. С. Райн уса. Вопросы термической обра-
ботки и механических характеристик стали для фасонных отливок, выполненной
на кафедре «Литейное производство" Ленинградского политехнического института
Вторичная кристаллизация стали в отливках
267
-стабильность аустенита, т. е увеличивают скорость его превращения,
уменьшают прокаливаемость. Таким образом, регулируя состоя-
ние включений в металле, можно управлять получе-
нием определенных размеров зерна. Этот метод работы
получил уже настолько широкое примене-
ние в производстве слитков, что уставовъ
ны даже стандарты, оценивающие в номе-
рах величину аустенитного зерна в стати
и методику его определения
Умея, таким образом, оценивать и ко..
Рис 156. Влияние различ-
ного размера зерна ла ско-
рость превращения аусте-
нита (скнлзггт обра» вання
за»-щыщей и их роста оди-
наков!. . В левом, более
крупном ret»ie превраще-
ние еще не закончилось
тролировать истинный размер зерна, мож-
но предвидеть свойства изделия уже не
только по химическому составу металла н
соответствующим условиям его термичес
кой обработки. Потребитель, которому m
жно изделие, например, с твердой нар\ж
ной коркой и сравнительно вязкой сердце-
виной (шестерни, валки), — предусматри ча данный промежуток
вает в технических условиях метала опре вр'”’г»
деленного состава, но с зерном, например
№ 6—8. Прн этом сравнительно мелком
зерне получится неглубокая прокаливаемость. Дли изделий той же
марки стали, которые должны хорошо обрабатываться, потребуется
зерно № 3—4, более крупное, обеспечивающее лучшие условия резания
|82J.
Выплавка стали с заданным размером зерна аустенита представ-
ляет известные трудности. Получение требуемого размера зерна в ос-
Рис. 157. Влиялае алюминия и мар
ганца на прокаливаемость углеро-
дистой стали
новпом регулируется присад-
кой алюминия. Зародышевое
влияние получающегося глинозема
(AljOi) и сульфидов (ALSO уже
рассматрива чось ранее. Оно по-
добно влип 1 и' других элементов,
дающих дис.к-р ную муть нераство-
римых в аустените чужеродных за-
родышей (окислов и сульфидов
кальция, циркония кремния, карби-
дов и нитридов ванадия, титана,
циркония и т. ii.) Присадка алю-
миния наиболее распространена
вследствие его сравнительной де-
шевизны и достаточной эффектив-
ности, рис. 157.
В трактовке механизма влия-
ния алюминия существуют некото-
рые противоречия. Многие исследо-
ватели значения врожденного зер
на считают, чго влияние алюминия
на прокаливаемость обусловчено не
измельчением размера зерна, а уменьшением способности аустенита
растворять углерод и переохлаждаться. Вследствие этого выделенке
карбидной фазы идет при более высокой температуре, в виде более
крупных образований, что ускоряет превращение, уменьшает прокали-
ваемость.
Опуская рассмотрение многочисленных работ, доказывающих влия-
ние алюминия посредством нерастворимых в аустените включении
268 Литейпьп свойства и вторичная крлоталлизация стали
АЪОз. можно привести один убедительный эксперимент. Строение
двух отелей одинакового составе, нормализованных с 845°, представ-
лено на рис. 158. Сталь А выплавлялась и разливалась в атмосфере
Ркс. 158. Структуры вррмчтизованной стали (0,47% С), выплавлен-
ной в высокочастотной печи с присадкой 0,1% Л1: А—в атмос-
фере водорода; Б — на воздухе
А — крупнозернистое строение, плавка, и разливка в атиоефере водо-
род» <»,«•/. С в.12>/. Md. 0.08SV» Ai): Е — мелкозернистое строение, плав-
ка н радлиика в атмосфере воздуха (0.47’/» G, O.iaV< Мп 0.В7Ч» А1)
водорода, а сталь Б, как обычно, на воздухе. Перед разливке! было
присажено одинаковое количество алюминия, цо 0,1%
Сталь А, выплавленная и разлитая без доступа кислорода, имеет
крупнозернистое строение. Сталь Б, в известной степени раскисленная
алюминием, т. е имеющая включения А1.3ОЯ, обладает мелкозернистым
строением
Таким образом, влияние алюминия эффективно толь-
ко при известном содержании кислорода в жидком
металле -перед присадкой.
Для данного сорта стали и данных слитков, имеющих известную
скорость охлаждения, можно установить оптимальный режим раскис-
ления и присадки алюминия Однако в условиях производства фасон-
ного литья возникают дополнительные трудности. Нельзя из того же
ковша, тем же металлом заливать отливки другой конфигурации
и иных условий охлаждения, если желательно в обоих случаях полу-
чить один и тот же размер зерна.
Больше того, в отливке даже данной конфигурации обычно бывает
сочетание тонких и толстых частей, имеющих различную скорость
охлаждения и часто различный размер зерна. Поэтому заданный раз-
мер зерна следует обеспечить прежде всего в той части отливки, котб-
рая является рабочей, наиболее напряженной во время службы.
Можно добиться получения отливок различной конфигурации
с одинаковым или различным требуемым размером зерна при разливке
1 См. J. Iron a. Si |i®U 1936, I, 536,
Втортняя ярпегалме*цхя Пам » птпиеках
260
стали из одного ковша Для этого нужно присаживать различные коли-
чества алюминия в литниковую воронку отдельно при разливке каждой
формы. Этот метод работы применяется в Швеции [63], но он кропот-
лив и дает неуверенные результаты.
В связи с рассмотренными трудностями, изготовление фа-
сонных отливок с контролируемым и регулируемым
размером зерна сравнительно ограничено. Эти методы
получают развитие только в литейных, изготовляющих отливки особо
высокого качества в условиях массового производства.
Рис. 1Б9. Строение малжвдеипвой, «тали ;№ I, табл. 34, 0,29% С.
0,52% Мо), содержащей 0,044% S и имеющей эвтектическое рас-
положение сульфидов
А — расдредвдевжв «'ульфпдов по инуЩЦам аереп д сырой
тг-рмической овраб< i0- X1М: В — era йгв стать косле ОТ
Оидкые iiniiWue ж« IWIUHW есреж). X ИЮ; В—после »
с отпуском. X 100; Г — ои<це ааьвдкп с отпуском (С<к ппнв|
жжение вклточежий1). X 6V0
Таким образом, влияние на вторичную кристаллизацию дисперсных
неметаллических включений, беспорядочно разбросанных, -может в не
которых случаях оказаться благотворным. Влияние же включений
эвтектического типа, особенно сульфидов, расположенных по границам
первичных зерен и между осями дендритов, обычно всегда вредно.
Они дают ферритную, но хрупкую сетку, В результате не только
уменьшается прокалкваемостъ стали, но и’ резко понижается ее пла-
стичность. Никакими методами термической обработки нельзя пол-
ностью ликвидировать вредное влияние таких включений. Наоборот, оно
более резко- Сказывается прн сложных режимах термической обработ
ки, напрймер, закалке с отпуском.
На рис. 159 представлено строение стали, содержащей всего
0,044% S, однако имеющей в сыром состоянии эвтектическое располо
270
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стам
жение сульфидов (рис. 159, Л). При последующих отжиге, нормализа-
ции и закалке это расположение включений сохраняется (рис. 159, Б,
В и Г). В результате механические свойства, особенно пластичность
после закалки с отпуском, оказываются значительно ниже, чем у ста-
ли идентичного состава, но содержащей 0,014% S н имеющей, беспоря-
дочно разбросанные включения (табл. 34).
При высоком содержании серы включения сульфидов образуют
в сырой стали непрерывную, ясно различимую межкристаллитную плен-
Рис 160. Строение углеродистой стали с высоким содержанием серы. Х200:
>uas олевна сульфидов в сыром состоянии; В — раадробльодо иле»
посте гомогенизации (5 вне при 11W°1
ку. Только прн достаточно длительной выдержке при очень высокой
температуре (гомогенизация) возможно раздробление такой пленки.
Но эвтектическое расположение сульфидов, вредно влияющее на свой-
ства стали, при этом останется, рис. 160.
2. Влияние неоднородности состава стали на вторичную
кристаллизацию стали в отливках
В реальных условиях остывания отливки в форме никогда не дости-
гаются условия равновесия, которые соответствуют диаграммам со-
стояний данных сплавов в области ниже солидуса. Здесь может быть
проведена полная аналогия с отклонениями от равновесных условий
диаграмм состояний, которые рассматривались выше для интервала
ликвидус — солидус в связи с явлениями ликвации.
Поэтому фактическое образование микросоставляющих элементов
вторичной кристаллизации стали зависит от меняющихся температур-
ных условий, а, следовательно, и от меняющейся скорости распада
аустенита. Как известно, эти условия вторичной кристаллизации опре-
деляются из S-образных кривых превращения аустенита.
По этим кривым можно также определить влияние неоднородности
состава стали и размеров кристаллитов как факторов, вызывающих
отклонения от равновесных условий тех или иных диаграмм состояний,
рис. 161.
Вид S-образных кривых, показывающих прн каждой данной тем-
пературе начало и конец превращения аустенита, зависит от состава
.металла и величины зерна. Повышение содержания углерода или леги-
рующих элементов в аустените, а также Увеличение его зерна повы-
шают стабильность аустенита, уменьшают скорость его превращения.
В связи с этим, при неоднородности состава и строения
аустенита, его превращение по сечению отливки
будет иттн неравномерно. Как видно нз рнс. 161, в сырой
стали, в которой вследствие ликвации имеется неоднородность в со-
,s =
h
Механические свойства при различных режимах термической обработки молибденовой
стали, имеющей 0,044% S и 0,014% S я соответственно эвтектические и беспоря-
дочно разбросанные включения сульфидов [77]
Содержание элементов, о,»
Мп SI Р 1 S Мо
Сталь Nt 1, 0,06»/в AI (в ковш) . . , Сталь № 2, О,О6«,'о А1 (в ковш). 0,29 | 0,77 0,29 । 0,73 0,42 0,43 1 0,012 0,014 1 0,014 0,044 0,52 0,52
М Сталь Термическая обработка
твердость по Брм- нелю, Нв предел теку чисти аЛ1 Kt/ММ* предел прочности за, кг/мм* удлинение о4, •/ о сужение ф, ®/о ударная вязкость (Изол) футо-фунты
л1 ?* 2 Nt ) Nt 2 т 1 66,1 54,6 79.5 65,7 » 2 № 1 М 2 № 1 № 2
1 2 3 4 Двойная вормали- зация г отпуском 980/в + 880/в 4- + 680/в ' Двойной ОТЖИГ 980/п-г 870/в Нормализация и закалка с отпуском 980/в + 870/вд + + 680, в То же с более 1ЫСОКИМ ОТПУСКОМ 980/в + 870/вд + 690/В 187 145 228 187 181 143 217 187 38,7 32,5 68,0 54,9 38,2 ,12,5 59,9 52,8 64,0 54,0 73,8 64,3 18,9 25,4 20,0 25,9 18,1 22,0 10,0 23,5 31,9 42.2 53,3 61,8 29,5 28,2 17,7 50,5 34,2 28,7 57,1 62,9 23,8 18,4 21,9 27,0
В дальнейшем везде для сокращения приняты обозначении; в -воздух, и- печь, вд —вода, м —масло.
ё
i
ii
с
т
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Время превращения, сен.
Рнс. 161. S-образные кривые изотермических пре-
вращений марганцовистой стали в сыром состоянии
и после гомогенизации (твердость по Роквеллу,
шкала С)
Pirt 162 Отдельные зерна перлита и свобод-
ные кярбвды по границам ферритных зерен
в отожженной литой углеродистой стали
(0.33% С, скорость охлаждения 150°/час.)
X 1200
Вгори*яая кристаллизация стали
отливках
держании углерода н марганца, начало и конец превращений проте-
кают иначе, чем в той же стали после гомогенизации. В сырой стали,
в участках, имеющих концентрацию углерода и марганца ниже сред-
ней, превращение начинается раньше. В участках же с концентрацией
углерода и марганца выше средней превращение заканчивается позже,
чем в гомогенизированной стали, имеющей более равномерное распре-
деление углерода и марганца.
В результате, строение литой стали будет характеризоваться пре-
имущественным расположением феррита в обедненных и перлита в обо-
гащенных участках отдельных кристаллитов и отливки в целом. Такое
строение, получаемое при сравнительно медленном остывании отливки
в форме, позволяет оценить сгеяень неоднородности состава металла,
как следствие ликвации.
Этим объясняется образование часто перлитной, а не ферритной
сетки по границам первичных и аустенитных кристаллитов в литой
доэвтектоидной стали (см. выше, рис. 154). Этим также можно объяс-
нить встречающиеся часто в литой стали структуры, характеризую-
щиеся отдельно вкрапленными зернами перлита или даже свободными
.арбидами по границам ферритных зерен, рис. 162 ’.
Рис 163 Прокаливаемвстъ по торцам образцов ₽з вон наружных (верхней
я 'нижней) поверхностей плиты (равиооздые 'Кристаллиты) н эон столбчатых
кристаллитов (нв расстоянии 15 мм от поверхностей). Птнта залита маргая-
це-молибденовой сталью (0.29Й С. 1,61 Я Мп и 0,46Я Мо) и в отожженном
состоянии СММР C/JiP/чае) имеет строение:
А — верхняя поверхность (О.МЧ» О, Мп я 0,43*4 Мо) п В — янжняя поверсввсть
(0.ZP/. о, ълтч. Мп и 0,42*4 Му). X 50
Подобное строение определяет пониженную пластичность литой
стали (например, сталь со строением рис. 162 дала показатели
Y ==27% и ак — 3,8 кгм/см2 по сравнению с ф = 38% и ак =
= 7,5 кгм[см? в иных условиях охлаждения). Предотвращение
образования структурно свободных карбидов не
только в процессах термической обработки, но и при остывании отли-
вок в форме, является важным условием для достижения их .высоких
свойств.
1 См. сноску на стр. 266.
1В Викия 7». Ю А. Нехе.пчзи
7274 Литвйюм свойства и аторикям кристаллизация стали
Рассматривая влйяние зональной неоднородности состава стали,
необходимо отметить, что обычно зона столбчатых кристаллитов оттм-
чается меныией скоростью цревращений, чем зона равноосных кристал-
литов. Это видно нэ результатов специальных исследований прокали
ваемости литой плиты по методу торцевой закалки1, рис. 163 [77].
Несмотря на то, что химическим анализом не обнаружено разницы
в составе, а микроскопом особой разницы в размерах зерен, прокалн-
вйемость эоны дендритных столбчатых кристаллитов больше, чем
наружных и внутренних бевразлячно-ориентированных.
3. Влияние состава стали на вторичную кристаллизацию
ее в отливках
Влияние состава стали на ее вторичнутО кристаллизацию наиболее
эффективно. Оно рассматривается ниже отдельно, совместно с общими
свойствами отливок нэ соответствующих марок стали. Здесь необходимо
отметить в качестве принципиального положения, что влияние отдельных
элементов состава стали на укрупнение строения при первичной кри-
сталлизации не может быть отождествлено с аналогичным влиянием на
строение при вторичной кристаллизации.
Например, часто объясняют благотворное влияние никеля на меха-
нические свойства стали умельчением ее строения. Однако никель
чрезвычайно резко укрупняет строение стали при первичной кристалли-
зации. Но, благодаря своему алиянию на понижение температуры
и скорости превращения аустенита, он также резко \ мельчает строение
при вторичной кристаллизации, рис. <64.
Сталь с 5% Ni дает уже в сыром состоянии после остывания
в форме мартенситную структуру, т. е. является ‘«самозакаливаю-
щейся» ст’алью. Как известно, это строение отличается наибольшей
1 Метод торцевоЛ закалки позволяет определить прокалтаемостъ стали по
твердости наружной поверхности прутка на различных расстояниях от закаленного
В воде его торца. Метод заменяет более трудное определение твердости по сечению
изделия.
Btopu/шая кри£тол<шзвцил сгали в- ьт-ливках
275
Рнс. 166< Влияние никели яа укрупнение строения при первичной крвсталлизашгв
в отливке с меняющейся толщиной стенок (от 20 до 200 мм, сталь с 5% Ni. имею-
щая ыикростроение рис. 164 — В). В такой же отливке углеродистая сталь дрля по
исследованию авторв более мелкое строение
дисперсностью элементов структу-
ры. В одинаковых условиях ох
лаждения обычная углеродистая
сталь с тем же содержанием
'0,20% С дала крупнозернистую
вндманштеттовую структуру.
Нужно подчеркнуть, что бла-
готворное влияние любого элемента
на умельчение строения при вто-
ричной кристаллизации только
т-огда- будет эффективным для ка-
чества отливки, когда одновремен-
(НО обеспечивается сравнительно
мелкозернистое строение при пер-
вичной кристаллизации. В против-
ном случае получится хрупкий
межкристаллитный излом отлнвки,
и высокое качество каждого
кристаллита в отдельности не
будет использовано (рис. 37 н 165).
По поводу
следует также отметить.
18“
О ВиЗнаитгпгтт’Яав
Рис. 166. Влияние содержания угле-
рода и скорости охлажденм но ж>-
яв.ленне видманштеттовой структуры
в отливках (остывание в песчаной
форме)
влияния состава стали на
вторичную кристаллизацию
что видманштеттовая структура, как харак-
276 Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
терная для литого сырого состояния/получается обычно При содержа-
нии от 0.1 до 0,4—0,5% С. При этом возникновение данной структуры
тесным образом связано со скоростью охлаждения отливки, т. е. преж-
де всего с толщиной ее стенок.
Чем медленнее охлаждение, тем крупнее первичные кристаллиты
и в бблыпем интервале содержания углерода появляется видманштет
товая структура в отливках, рис. 166 [29J.
Б. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ НА ВТОРИЧНУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ
СТАЛИ ПРИ ОСТЫВАНИИ ОТЛИВКИ
Влияние свойств формы на вторичную кристаллизацию остываю-
щей в ней отливки сводится по существу к уже рассмотренному их
влиянию на первичную кристаллизацию. Здесь основными факторами
«.тияння являются скорость охлаждения отливки, в части, зависящей от
формы, и метод заполнения формы.
1. Влияние на вторичную кристаллизацию скорости охлаждения
отливки в форме и условий ее заполнения
В зависнмоств от свойств формы скорость охлаждения определяет-
ся температурой заливки металла, конфигурацией
отливкя в температуропроводностью формы.
Влияние температуры заливки на вторичную кристаллизацию идет
по двум направлениям: косвенно —по линии влияния на первичную
кристаллизацию со связанными с ней явлениями, и непосред-
ственно — по линии собственно скорости остывания отливки. Оче-
видно, что влияние температуры заливки на размер первичных кристал-
литов, нх форму, состав и расположение совместно с различными вклю-
чениями является более мощным фактором. Поэтому влияние темпера-
туры заливки на вторичную кристаллизацию должно рассматриваться,
Хак косвенное, и после всего изложенного может здесь не детализиро-
ваться.
Влияние же конфигурации отливки (в первом приближении
се приведенной толщины стенок) и материала стенок формы
является главным фактором, определяющим скб-
роеть остывания отливки из данного металла.
С увеличением толщины стенок отливки, при прочих равных условиях,
увеличивается при вторичной кристаллизации углеродистой стали раз-
мер зерен ферритв (табл. В5 и рис. 167).
ТзЛлицп BS Ижчнае толнпш стенок отливки на размер ферритного зерна стали с содержанием 0,12% С сыром состоянии [291
* • Сечение отливки ям 15 X 150 47 х 150 77 х .150 НОХ 150 140 X 150
Равыер ферритного зерна, р* Для обычной при вторичной кр отэинок видно на 16 000 углеродист псталлизап риЬ. 168 Г 22,000 j 54.000 | 51,500 । 62,300 ой стали (0,27% С) укрупнение строения ли по мере увелттчения толщины стенок 1-
Вторичная кристаллизация стали в оглияках
oC,Z/%C
♦ 4?Л7%С
< О.Ч6а/оО
*0,51 fa
Рис. 167. Влияние тодшины стенок
отлнвки на толщину слоя
ной сетки в стали с различным
содержанием углерода W сыром
состоянии (строение при нерввчний
кристаллизации см. рис. 45 46)
Толщина стенки,мы
Для борьбы с ’горячими трещинами нлн при работе в кокилях либо
на конвейере отливки часто выбивают из формы непосредственно после
заливки. Остывание таких отливок на воздухе сообщает им бдлыпую
скорость охлаждения, чем в форме. Это изменение режима остывания
может сильно сказаться на строении при вторичной кристаллизации,
рис. 169 [29].
Рис. 168, Укрупнена? строеяия при вторичной кристаллнза-
цщ обычной углеродистой стали (0,27% С) в сыром со-
стоянии во мере увеличения толщины стенок отливки:
Л — строение в дентре отливки толщиной 12 В — Я *ж"
В — 1»в ** . Г — 30» мм (изменение кехяпгаи
-лойгн- ц строев» после отжиг» пм юио SOI X SO
278
Лите Иные свойства и втиричмя кристаллизация стали
С увеличением скорости остывания отливки на
воздухе вместо формы уменьшается количество
феррита при любом соответствующем содержании углерода. Сталь
с 0,2% С имеет около 65 % по объему феррита при остывании в песча-
ной ф^рмс ц 40 —45 % прн остывании на воздухе. Встали с0,45—0,50%С
Содержании С. %
Рис 169. Влияние скорости охлиж-
отливки (на воздухе или и
форме) я содержании углерода на
объемное количество Феррита в
строения стали
количество феррита уменьшается даже до 5—10%. Вследствие этого
строение в остывающих на воздухе отливках прн изучении под микро-
скопом кажется всегда принадлежащим стали с более высоким содер
жанием углерода, чем в действительности. Рассматриваемую особен-
ность строения ста чьиых отливок необходимо всегда л читывать в прак-
тике (рис. 169).
Что же касается микростроения отливок из высоколегированной
стали, вовсе не имеющей фазовых превращений, то оно. точки зре-
Ьие. 170 а) Крупжюериистое аустенитное строение в сыром
спстояни высоколегированной никелсхромястой стаде в от-
<1 ивке толщинок Зв ям к б) мелквдерннстое той же . -аля
в отливке 10 ям. X 100. (Состав 0,06% С, IH.0% Ni.
7.78% Сг; 3,55% Мо: 4.80% Си)
ния размера зерна, определяется исключительно условиями процесса
первичной кристаллизации. Скорость остывания такой отливки в форме
может влиять уже только в отношении развития процессов диффузии
преимущественно внутри отдельных кристаллитов, рис. 170 [8]
Впрцчпая кристаллизация стали в отливках
ада
Представленное на рис. 170 микростроение стали в отливках тол-
щиной 10 и 30 мм принадлежит стабильно-аустенитной стали, имею-
щей при любых условиях охлаждения чисто аустенитное строение. Как
указывалось, аустенитные кристаллы отличаются чрезвычайно большой
скоростью роста при тюбой скорости охлаждения
Из рис. 170 видно, что даже сравнительно небольшое изменение
скорости охлаждения в отливках толщиной Ю и 30 мм уже вызвало
режое укрупнение зерна аустенита. При этом развивается дендритное
строение с неравномерностью состава (темные междендритные промс
жутки — рис. 170, с).
При заливке ста ш в кокильнчю форму стационарную, а тем более
вращающуюся, строение при вторичной кристаллизации умельчается не
только вследствие более быстрот остывания отливки на воз
РИс. 171- Инкагк троение стачьны\ отливок в ,ьдюм со
стоянии, залитых в кокильную и и песчаную форму:
А и Б — сталь O.te’i С п кокильной и песчаной форме; ВжТ
сталь 0ЛЧ» Г Д и В — сталь О- X 1W
280
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Дополнительное большое влияние оказывает получающееся в этих спо
собах заливки умельчение строения при первично! кристаллизации.
Микрост роение отливок в сыром состоянии, залитых в одинаковых
условиях в кокильные и песчаные формы сталью с различным содержа-
нием углерода, представлено на рнс. 171 [5].
Рис. 172. Микростроение центро-
бежной опивки толщиной 40 мм
из углеродистой стали (0,53% С)
в сыром состоянии. Видна фер-
ритная сетка по границам аусте-
нитных зерен. X 100
На основе изложенных ранее материалов можно опустить разбор
разницы полученных структур. Следует только отметить, что для срав-
нительно тонкостенных отливок (40—50 мм) микростроение при залив-
ке в стационарную кокильную форму по исследованиям автора практи-
чески мало отличается от строения центробежных от ihbok из той же
стали, рис. 172.
II ВТОРИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ В ОТЛИВКАХ
ПРИ ИХ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ1
1. Влияние термической обработки на вторичную
кристаллизацию в отливках
В оттивке, остывшей в форме и прошедшей процессы первичной
и в первый раз вторичной кристаллизации, существует обычно грубо-
зернистая, напряженная и неравномерная структура из элементов, име-
ющих остроугольную форму. Поэтому механические свойства отливок
в сыром состоянии, т. е. без термической обработки, отличаются нерав-
номерностью и низкими показателями, особенно пластичности.
Этн недостатки свойств сырой отливки могут быть ликвидированы
термической обработкой, обеспечивающей получение структушя мелко-
зернистой. равномерной, из элементов округленной формы. При терми-
ческой обработке происходят повторно процессы вторичной кристалли-
зации, вызывающие умельчение строения отливки и повышение его
однородности путем диффузии соответствующих элементов.
В литом металле, имеющем фазовые превращения, прн нагреве не-
много выше критической точки получается больше центров кристалли-
зации аустенита по границам и внутри действительных зерен, чем было
1 Содержание данного раздела освещает Только кратко н схематически некого
рые особенности термической обработки стальник отливок, учитывая материалы
специального курса «Термическая обработка»
Вторчяноя кристаллизация стали в отливках
281
прн первичной кристаллизации и в период грануляции. Это получается
вследствие более мелкого размера действительных зерен. В результате
достигается более мелкозернистое строение аустенита, чем было при
остывании отливки в форме.
Таким образом, при охлаждении отливки с температур только не-
много выше критической, превращение мелкозернистого строения аусте-
нита обеспечит сравнительно мелкое зерно вторичной кристаллизации.
Она будет протекать в отливке уже второй раз и называется регене-
рацией.
При охлаждении же отливки с температур значительно выше кри-
тической процессы превращений полученного крупнозернистого строе-
ния аустенита дадут уже крупное зерно вторичной кристаллизации. Не-
смотря на то, что процесс вторичной кристаллизации также протекает
второй раз, умельчения строения (регенерация) уже не достигается. От-
ливка претерпевает перегрев и может получить видмашптеттовое
строение, характерное для сырого состояния.
При очень высокой температуре нагрева отлнвки на границах зе-
рен, часто имеющих, вследствие обогащений разными примесями, более
низкую температуру плавления, чем само зерно, — может быть достиг-
нута температура солидуса. Начнется явление частичного оплавления
и окисления границ зерна, — отливка претерпевает пережог.
Никакой термической обработкой нельзя улучшить свойств метал-
ла, претерпевшего пережог.
Для улучшения же регенерации отливку можно подвергнуть про-
цессу вторичной кристаллизации в третий раз, т. е. подвергнуть ее
повторной, двойной термической обработке. Этот метод часто пред-
намеренно применяется в производстве особо ответственных отливок
с высокими механическими свойствами. Он также применяется по необ-
ходимости во всех тех случаях, когда первая термическая обработка
не принесла, по каким-либо причинам, ожидаемых результатов.
При нагреве до достаточно высоких температур внутри отдельных
кристаллитов могут интенсивно развиться процессы диффузии, а по
границам начаться дробление межкристаллитной пленки. Этот процесс
диффузионного отжига (гомогенизации) ведет к повышению пока-
зателей свойств отлнвки и к их однородности. Чем полнее прошла
диффузия, тем меньшим оказывается влияние строения первичных крн-
9^аллов на строение при вторичной кристаллизации.
В практике, для ускорения и облегчения процессов диффузии
и дробления межкристаллитной пленки, процесс гомогенизации ведут
при таких высоких температурах, которые вызывают перегрев- Однако
отливка получает црн этом крупнозернистое строение. Достигнутое
преимущество в отношении однородности состава н строения может
быть поглощено недостатком его крупнозернистое™.
Для того, чтобы получить наилучшее сочетание однородно-
сти строения с его мелкозернистостью, необходимо
отливку подвергнуть гомогенизации с последующей регене-
рат ней. Это значит, что отливку нужно нагреть до достаточно вы-
соких температур, обеспечивающих хорошее протекание процессов диф-
фузии. Затем охладить ее ниже Аг, и вновь нагреть уже только немно-
го выше Аг3. Тогда, при последующем охлаждении, фазовые превраще-
ния произойдут в мелкозернистом и однородном твердом растворе.
Гомогенизация протекает успешно для тех элементов состава ме-
талла, которые обладают способностью к диффузии. Легче всех
элементов диффундирует углерод, труднее всех — фосфор.
Сера почти не д и ф ф у н д и р у е т. Коэфициент диффузии угле-
рода в аустените обычной стали с размером зерна от № 3 до № 8 при
282 Литейные свойства и вторичная кристаллизация стили
концентрации от 0,1 до 1,0% Си температурах от 750 до 1250° мбЖйТ
быть определен из эмпирического уравнения
D{ в Fe 7 = (0,07 + 0,06 С " „ » е
где С % —содержание углерода ’.
Регенерация протекает успешно в тех случаях, когда образуется
ботыное количество центров кристаллизации в процессах превращения
и когда при нагреве выше критической точки поинленне крупного зер-
на затруднено.
На рост зерна при данной температуре и длительность выдержки,
в числе других факторов, решающее влияние оказывает наличие высо-
кодисперсных, часто субмикроскопических 1включений, механически
препятствующих росту зерна (например, окислы к сульфиды алюми-
ния, нерастворенные карбиды н т. п.). Кроме того, в литом металле,
в отличие от металла, подвергнувшегося обработке давлением, наличие
межкристаллитной пленки также препятствует росту зерна. При оди-
наковом нагреве зерно в литом металле более устойчиво, чем в дефор-
мированном. что доказано исследованием К. Малышева [84]. Это
является известным преимуществом литого металла,
В литом металле также, в отличие от кованого, без предваритель-
ной деформации не могут протекать и процессы рекристаллизации,
т. е. огромного и внезапного роста зерна, обычно наблюдаемого прн
известных температурах нагрева после предварительной пластической
деформации. Если же в литом металле произойдет раздробление меж-
кристаллитной пленки под влиянием фазовой перекристаллизации илн
I омогенизацин, то перескок атомов между решетками соседних кри-
сталлитов станет возможным.
Рост зерна будет протекать так же интенсивно, как и в процессах
нагрева и рекристаллизации пластически деформированных металлов.
Преимущество литого металла в условиях службы при высоких темпе-
ратурах будет тогда утеряно (чем крупнее зерни, тем выше прочность
металла при высоких температурах).
Чтобы облегчить процессы диффузии, очень полезно перед гомо-
генизацией раздробить и придать округлую форму карбидам, произ-
вести процесс их сфероидизации. Сравнительно мелкие округленные
частицы карбидов прн переходе после диссоциации в твердый раствор
облегчат получение его большей однородности. Кроме того, при сферо-
идизированных карбидах металл смягчается, понижается его твердоеrt>.
2. Влияние скорости охлаждения при термической обработке
на вторичную кристаллизацию стали в отливках
Скорость охлаждения отливок при термической обработке так же,
как н в процессе вторичной кристаллизации при остывании в форме,
является одним нз главных факторов, определяющих строение уже го-
товой, термически обработанной отливки. Эта скорость охлаждении для
отливки данной конфигурации зависит от среды, в которой производит-
ся охлаждение (печь, воздух, масло, вода). Для данной среды она эа-
1 Из этих даннЫ» рис 152, и ряда изложенных ранее соображений следует,
что ив двух теорий о природе твердого раствора аустенита — молекулярно* ж ато-
марной (ионной) — автор считает тгравильлой последнюю. Факт нахождения угле-
рода в твердом растворе е аустените в виде ион-атомои, а нс мо текул карбидов, дока,
заа недавно рентгенографическим исследованием. Весьма убедительна в этом
отношении также работа А. С. Завьялова и 3. Н. Крэснльшикова, докатав
шай, что, чем выше температура диссоциации карбидов, тем при более высокой тем
пературе они переходят в раствор 1831.
Вторичная кристаллизация стали в .плитах W)
висит от размеров и формы отлнвки, в частности, от отношении ее
объема к поверхности охлаждения.
Степень дисперсности структуры готовой отлнвки определяется не
столько средней скоростью охлаждения во всем процессе термической
обработки, сколько скоростью охлаждения при превращения «.
В зависимости от осуществляемой скорости охлаждения (обычно в пе-
чи при отжиге, на воздухе при нормализации и в масле или в воде при
закалке) получается, как известно, различная дисперсность строения.
При охлаждении в печи ши на воздухе образуется крупно- или мелко-
зернистый пластинчатый перлит. Структура носит название отожжен-
ной или нормализованной
При очень резком охлаждении (в масле или в воде) можно сооб-
щить отливке скорость охлаждения ббльшую, чем критическая ско-
рость превращения. Получится полный разрыв между начатом Аг'
и концом превращения Аг’. Произойдет превращение из одиой формы
твердого раствора (Fe-y) в другую (Fe-a) с субмикроскопическнми
частицами выпадающих из раствора карбидов. Получится мартенситная
стадия превращении, за которой следует постепенная агломерация вы-
падающих мельчайших -частиц. Эта агломерация протекает особенно
быстро, если мартенсит подвергается вторичному нагреву (отпуску).
В зависимости от достигаемой степени дисперсности получится
также перлитное или сорбитное строение. Однако это строение отли-
чается от перлита и сорбита, полученного при остывании отливки, тем.
что никогда не проявляет тенденции к образованию пластинчатой
структуры.
Поэтому в литой стали рекомендуется различать грануляр-
ные перлит н сорбит от пл я«т и и ч а тых. Необходимо иметь
в виду, что последние дают худшие механические свойства (пластинин
являются надрезами, в местах которых концентрируются напряжения).
Как известно, твердость металла будет тем выше, чем более дис-
персны элементы его структуры. Для получении наиболее твердого
мартенситного строения необходима определенная, так называемая
критическая скорость охлаждения. При меньшей скорости
охлаждения получаются иные структуры и более низкие твердости.
Чтобы обеспечить максимальную твердость и мартенситное строе-
ние равномерно но -всему сечению отливки, необходимо иметь такую
скорость ее охлаждения, которая была бы выше критической в тюбом
месте сечения. В противном случае в срединных зонах отлнвки. более
медленно охлаждающихся, получится троостятное или даже нерлитное
строение. Изделие будет иметь высокую твердость на наружных по-
верхностях Н низкую в сердцевине (см. рис. 157).
Очевидно, что, чем массивнее отЛивка, тем труднее достигнуть
Достаточно высоких скоростей охлаждения ее срединных зон. Ппп этом
тймтИеньте будет твердость не только срединных зон, но и наружных
поверхностей по сравнению с 'более тонкими отливками, ряс. 173 (85|.
Это так называемое «влияние массы» на скорость охлажде-
ния, на структуру и свойства отлнвки имеет очень большое значение
в процгесах термической обработки, кристаллизации и всех связанных
с ними явлений.
На рис. 173, так же как и на рис. 157, приведены кривые прока-
пйнаемости не литых, а кованых брусков. Это возможно было сделать,
гак как подобные данные для литых брусков, сохраняя соответствую-
щие соотношения, должны рассматриваться как минимальные.
Обычно литой брусок тех же размеров и из стали того же состава
должен давать бол её" высокую дрокалнваемость. чем кова
ный, так как имеет обычно бблыпее «врожденное» зерно.
284
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Рис. 173, Распределение твердости по рвв-
«чжыи сечениям после аажвжв) в воде угле-
родистой и хромованадмевой стали
Недавно были произведены специальные сравнительные иссле-
дования прокаливаемое™ литой и кованой стали. Чтобы получить
близкие по прокаливаемое™ результаты, бруски заливались не в пес-
чаную, а в массивную металлическую форму (весом в 10 раз больше
бруска). Но даже и в подобных условиях ум сличения зерна литая сталь
может иметь ббяьшую прокаливаемость, чем кованая (образец 1,
табл. 36).
В связи с такой прокаливаемостью литой стали можно произво-
дить расчет прокалнваемости отливок в зависимости от их сечения,
состава и различных условий охлаждения [85]. Этот метод
разработан для кованой стали и основан на введении специальных
множителей к величине «идеального диаметра» Dj (диаметр образца,
имеющего в центре 50% мартенсита при мгновенном охлаждении по-
верхности до + 20р).
Как показали специальные исследования различных отливок,
влияние размера зерна на увеличение прокалнваемости (увеличение
идеального диаметра) в литой стали при различном содержании угле-
рода такое же, как н в кованой. Аналогичное влияние установлено
для расчетного множителя прокалнваемости по основным элементам
состава Стали (рис. 174а, 174).
Коэфициент резкости закалки, характеризующий скорость охлаж-
дения, также должен учитываться в расчете прокалнваемости. Он
составляет 0,9—1,0 для спокойной воды, 0,25—0,30 для масла, ркодо
2,0 для соленой воды и т. п.
Вториямл кристаллизация стали в отливках
285
Таблица 36
Сраанительиак прокамваемость лигой и кованой стали ло твердости
Роквелла, шкала С, в закаленных с торца образцах
3
Марка стали Образец
Хромомолнбденоваа 0,50% С; 0,8»/, Мп; 0,95% Ст; 0.20»/, Мо Ннкелехромомолмб- декова я Литов Кованый
0,40% С; 0,80% Мп; 1,75% №. 0,65%.Q; 0.35% Мо Высокоуглеродистая хромистая (шарихопод- шннннковаа) 1,0% С: 0,35% Мп; 1,35% Сг Лигой Кованый
Литой Кованый
Расстояние от закаленного
торца, мм
Игтрод. Л
Рис. 174а. Влияние размера зерна на
«идезлмпЛ критический диаметр.! при
(раыяршоы содержанки углерода -для литой
стали
28b
Литейные -еаойстаа^ы. ^ори^нф-крнетоллшацил стам
Рис. 174 Влвянне различных элементов состава литов стали и* расчетный
миожитель прокалипаАюетй а
иа« . , TSHMoqx
Скорость охлаждения в интервале превращений с увеличением
Т01ЩИНЫ стенок отливки дсобо резко уменыйается при охлаждении
на воздухе. Для отливок же малых сечений можно достигнуть близких
условий охлаждения как на воздухе, так и в масле ичи воде, рис. 175
Рис. 175. Влияние диаметра сферического
тела ва период охлаждения поверхности
в различных средах в темперггуриом интер-
вале 875—710°
Повышение температуры, с которой производится охлаж-
дение отливки, способно также повысить его скорость н прокаливае-
мость. Так, например, при применении достаточно высоких температур
термической обработки для отливок из определенных марок никелевой
стали можно дяетягнуть одинаковой их твердости при охлаждении на
воздухе вместо масля или воды.
Вторичная кристаллизация стали в отяивкац
28г
Понижать скорость охлаждения в процессе термической обработ-
ки преднамеренно, зная, что это вызовет ухудшение строения, можно
только в виде исключения. Технически оно неизбежно, если возникаю-
щие При быстром охлаждении термические и фазовые напряжения бу-
дут значительно уменьшать общую прочность отливки (см ниже,
гл. XI). Организационно оно часто связано с недостатками оборудова-
ния термических отделений, не позволяющего производить быстрое
охлаждение отливок в жидких средах. Ближайшие перспективы разви-
тия производства качественного стального литья должны ликвидиро-
вать этот недостаток, пережиток устаревших методов термической об-
работки отливок (только отжиг).
Устройство специальных приспособлений для охлаждения отливок
в жидких средах уже давно не представляет никаких трудностей прн
достигнутом высоком уровне нашей техники. Ниже доказывается, что
такой режим охлаждения часто необходим для отливок не только из
легированной, но и нз углеродистой стали
3. Процессы термической обработки в производстве стальных
отливок
Охлажденная стальная отливка после выбивки из формы, уже
прошедшая процессы первичной и вторичной кристаллизации при за
твердевании и остывании, отличается неравновесным состоянием.
Физико-химическое неравновесное состояние определяется
неравномерной концентрацией элементов и включений; структур-
ное — неравномерным распределением метастабильных Элементов
структуры; механическое — наличием литейных напряжений.
Достижение по возможности полного физико-химического и меха-
нического равновесия должно явиться основной целью всякой термиче-
ской обработки отливок. Достижение по возможности структурного
равновесия имеет место только в отдельных видах термической обра-
ботки. Дли некоторых, требуемых условиями службы, свойств оли-
вок оно не всегда обязательно и даже вредно.
Таким образом, по существу операций термическая обработка от-
ливок имеет своей целью:
1) уменьшение неоднородности химического состава отливки —
гомогенизация;
2) умельчение зерна литого сырого состояния — регенерация;
3) смягчение металла перед механической обработкой отливки —
сфероидизация;
4) получение определенных, требуемых условиями службы отливки,
показателей прочности и пластичности, специальных физических и хи-
мических свойств—отжиг, нормализация или закалка
с отпуском;
5) уменьшение литейных напряжений в отливке — отпуск;
6) уменьшение количества газов в металле —«водородный
втпуск»;
7) улучшение,
8) изотермическая обработка отливок.
1) Гомогенизация (диффузионный ютжие). Температура и длительность гомогеви
аацни (диффуаяовпого отжига) завесят от состава металла, степени его неоднород-
ности, размера зериа, толщины стенок отливок. Чем больше неоднород-
ность и размер зерна и массивнее си ливкз, тем выше должны
быть температура и длительность гомогенизации. Температура
ка должна превышать солидус» границ верея («ложный солидус»), чтоОм не вы-
звать пережога. Длительность гомогенизации длн отливок со Средней толщиной сте-
нок можно принять в вавасимости от температуры t по некоторым эксперименталь-
ным данным
г = 124—0,1 t «ас.
288
Литейные свойства а РТориЧная кристаллизация стали
Тгкая длительность гомогенизации рекомендуется только для отливок из легиро-
ванной стали, имеющей значительную дендритную ликвацию.
Обычно длительность гомогенизации колеблется ОТ 8 до 15 час прн темпера-
туре 1150—1050°. Особое внимание должно быть уделеяо контролируемой атмосфере
печи, чтобы избежать обезуглероживания поверхности отливки и образования тол-
стого слоя окалины * ней.
Излишняя длительность выдержки при гомогеадзащи бесовжзна к даже может
быть вредной из-за окисления поверхности отливки. Процессы диффузж вдут особо
интенсивно в первые периоды выдержки при высоких температурах, когда еще
велики коияентрвцнонные градиенты растворенных элементов в аустените. По ыере
повышения однородности аустенита и понижения концентрационных градяежтов ско-
рость диффула уменьшается.
Чем массивнее отливка, тем больше должна быть дли-
тельность гомогенизации, так как с увеличением толщины стенок укруп-
няются дендриты и требуется больше временя для выравнивания их состава. В осо-
бых случаях длительность гомогенизации может достигать 20—25 час
Для многих массивных н ответственных отливок, особиаво не лепцмхижо!
стали, гомогенизация Применяется пак обязательная предварительная
термическая обработка Для таких отливок она часто способствует значительному
повышению механических свойств, особенно пластичности и унарной вязкости, по-
вышению межкристалличеакой прочности.
Известная гомогенжзацяя достигается и мри обычном отжиге млн тчя- мрмялк-
защит, ио в медъшей степеяи, вследствие более низкой температуры в меньшей
выдержки. ,
2) Регенерация. Регенерация зерна металла в оттнвкаж достигается обычно
нормальным отжигом или нормализацией. Температуре ы длитель-
ность огжига зависят от состава металла, размера зерна аустенита итолщины отливок.
Температура отжига обычно на 30—50° выше точки АСз. Длительность вы-
держки ори температуре отжига составляет обычно от 1 до 2 час. на каждые 25 мм
толщины стенок отливки в самой массивном ее сечевяд. Если произведена
предварительно гомогенизация длительность выдержки может быть сокращена.
Для отливок со средними сечениями из углеродистой стали, если Вет большой
неоднородное™ строения, длительность выдержки может быть сокращена и без го-
могенизация Специальными исследоявниями экводов в условиях военного времени
определена возможность снижения длительности выдержки для Таня к отливок до
20—30 мин на 25 льи толщины.
Особенно большое значение для сокращения длительное™ выдержки имеет по-
вышение температуры. егЛй благодаря дисперсным включениям нет большой
опасности роста зерна. По различным денным при повышении температуры отжига
на 70—90° выше точки Аса возможно сократить выдержку для углеродистой стали
до 0,5 часе ма 25 мм толщшы.
Таким образом, известное практическое правило выдержки I час ва каждые
25 мм толщины самого массивного сечения отливки является только первым при-
ближением. Ныдержка может быть увеличена даже до 2 часов для массивных от-
ливок из легированной стали с большой дендритной ликвацией еелй не примеяеяа
предварительная гомогенкзация. Она может быть уменьшена даже до 0,5 часа при
повышении температуры отжига для небольших отливок из углеродистой стали
(перегрев на 50—100° в этих условиях улучшает диффузию, мало отражаясь на
росте зерна).
Процесс ворыалыюго отжига осуществляется при охлажден вн отливок вместе
г печыо со скоростью от 30 до 70°/час. Процесс нормалнзашпг осуществляется прн
более быстром охлаждеим отливок, на спокойном воздухе вместо new, со скоро-
стью 150—250°/час- [змодской график термической обработки (нормализация + от-
пуск) отливок см. на рис. 209]. Отливки, прошедшие нормализацию, имеют, по срав-
нению с отливками, прошедшими нормальный отжиг, более высокие пределы теку-
чести и прочности одшлремемно с лучшей ударной вязкостью.
Скорость нагрева отлямж определяется их конфигурацией, составом стали,
наличием антенных напряжений в отливках. Для отливок из легированной стали опа
колеблется от 30 до 1О0°/чяс. Для отливок с равномерной толщиной стенок на угле-
родистой стала ова может быть повышена даже до 200°/чвс. т. е. до максимальных
значений термической мощности обычных печей.
3) Уменьшение твердости (смягчение). Для понижеяия твердости необходимо
рааложить пли сфероидизировать карбиды. Эта операция так же, как и регенерация
при отжкге нда нормализации, (полезна для подготовки структуры к последующей
сложвой термической обработна (закалке с отпуском).
Процесс сфероидизации применяется обычно для отлжок «3 летвРвваМой
Сталя с высокой твердостью в сыром состоянии (выше 200 Не) В/1И для отлгеок
из графмтянярояднной стали. Этот процесс явняется Следствием естественного стрем-
ления карбидов к более равновесному состоянию с минимальной поверхностной
энергией. Процесс обычко протекает при температурах ниже критпческой Аа. С этой
Вторичная кристаллизация стала в отливках
289
точки зрения его правильнее считать иглу сном (высоким отпуском, происходящим
ОКОЛО ЯС1).
Однако для уокорегяя процесса сфероидизации его ведут часто флюктуациями,
повышая и понижая температуру иа ±10° около точки Ащ. Длительность процесса
зависит от размера карбидов, их состла (способности к коагуляции) и толщин
стенок отливки. Процесс же разложения карбидов (графитизация) рассматривается
подробно в курсе «Чугунное литье» м здесь опускается.
4) Снятие напряжений. В отливке, кроме литейных напряжений^ могут суще-
ствовать напряжения я вжлея, вызввшые грубой механической обработкой Для
достижеши механически рваноеесаого состояния, т. в. снятия этих иапряжеяий без
значительного изменении размеров отллкк, ее подвергают отпуску. Отливку необхо-
димо нагреть До тежжратур, прн которых металл способен легко получать болыиее
пластические деформации, после чего подвергнуть ее достаточно медлеиюыу охлаж-
дению (см. ниже, гл. XI).
Необходимая температура нагрева для большинства отливок находятся около
600—660°, т. е. несколько ниже температуры начала фазовых превращений. Поэтому
данный вид термической обработки представляет собой отпуск. Практически он про-
водится в интервале 450—650°. Длительность зависит от температуры отпуска,
размера начальных напряжений г требуемых условий оолучеимя ояовчятельвой
структуры отливок.
Рассматриваемый процесс отпуска может быть произведен л при более высоких
температурах, т. с. объединен с регенерацией (нормальным отжигом), если охлаж-
д«ыге отливок после отжига происходит достаточно медленно
Отпуск для снятия напряжений в отливках из конструк-
ционной стали является обязательной конечной фазой
любой термической обработки. Обеспечение механически равновесного
состояния отливки, получаемое после отпуска, является одним кз основных условий
ее надежности в работе.
5) Повышение твердости. Повышение твердости отливок достигается яорыяль-
ной закалкой, упрачняющж (низким) отпуском, илн дисперсионным твердепем.
Нормальная (техническая) закатка. Для получении вакаленного
Состояния стливан, в аввнснмост* от ее состава к конфигурации, не всегда требуется
резкое охлаждение в воде или масле На рис. 164 было приведено строегие
сырой «самозакаливающейся» стали, имевшей строение мартенсита, даже прн срав-
нительно медленном охлаждении в форме.
Чем толще стекая отливки, чем больше критическая ско-
рость закалки, тем более резкое охлаждение следует при-
менить для получения равномерного закаленного состо-
яния. Выбор температур закалки н охлаждающей среды определяется составом
,стели, размером ее врожденного зерна и конфигурацией отливки.
Отливки подвергают закалке я масле. Массивные отливки иногда, а из углеро-
дистой стали всегда при закалке охлаждают в воде различной температуры
(до 50—60°). Отливки следует вынимать до полного их охлаждения, т- е. вря
250—350° (масло вспыхивает на поверхности отливки). Обычно отливки небольшого
веса находятся в масляной ванне до 1—2 мин, а крупные до 15—20 мая
Необходимо отметить, что в дальнейшем различается понятие е нормальной
закалке (на мартенсит) от истинной вакалки (на аустенит пли на какой-либо другой
яересышеиный твердый раствор, папршер, медь в Fe-a).
Выше указывалось, что для некоторых отливок, работающих ки износ, требуется
иметь твердую наружную поверхность вязкую сердцевину. Для того, чтобы ие
прибегать к химико-тершиеской обработке (цементации, взотароеаяио в т. п), про-
изводят диферендиальную, вксгауто или поверхностную вакалку отливок.
Если очень быстро нагреть до требуемой температуры поверхность от линки паи
ее части, подвергаемые вакалке, то нжутренане вли не подлежащие закалке частя
оглиаки могут не успеть прогреться. При последующем резком охлаждении в ва-
ретой час™ отлявкн получается веобходшое мартенситное строеже. В остальных
же частях отливкя остается без нзиепежя строение, бывшее до днференциалмюй
закалки.
Данный метод энпалкя применяется также для отливок, не обеспечивающих
полной прокачиваемости по своему составу или не могущих противостоять возникаю-
щим напряжение по своей конфигурации Приценяется ок также для отливок, от
которых требуется 3—4 ступени твердости в различных частях.
Частичный жди поверхностный нагрев отливок производится иислородно-ацетя-
леиовыми горелками или электрнчеекш тоном. Наиболее совершенен иидукцисжый
нагрев токами высокой частоты по методам В. Л Володина и Н. В. Гевелнига
Изложение особенностей этих методов термической обработки отливок здесь
опускается.
Дисперсионное твердение и упрочняющий (низкий) отпуск. Повытпняие твер-
дости отлиаки в некоторых Случаях может быть также произведено путем отпуска,
операциями «упрочняющего отпуска», «старения» и «дисперси-
онного твердения».
19 Вахм тя. 10. А. Нсхендзв
290
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Для того, чтовы прояэопию иовышенне тэериостк оттает при отпуске, сна
должна находиться в истинно закаленном состоянии. Тогда при нагреве произойдет
шиадегше избыточной фазы из пересыщенного твердого раствора. В еавнсимости
От температуры я длительности натрем, а также строения и состава иересыщеиного
твердого раствора выделяющееся частички имеют различную степям. дисперсности.
В частности, если отливки на некоторых марой стали получили в результате
истинной зеалкн аустенитное строение или срв норма лыюй закалке частично аусте-
нитное строение (остаточный аустенит), — то при небольшом вагреве начнется его
распад. Будет образовываться первая фаза распада — мартенсит, твердость отливки
повысится При более высоком нагреве будет образовываться уже тонкая емесь
феррита и карбидов (трооспп или сорбит, в вависимости от стели!и дисперсности).
Произойдет пемевение размеров огливки (превращение 1 о) и также повышение
ее твердости (выделение карбидов), но меньшее, чем при образовании мартенсита
Прочесе должен называться отпуском, поскольку достигается известное при-
ближение яераваовесэого истинно заленкого состояния отлнвки к состоянию рав-
новесия. Вместе с тем этот процесс будет упрочняющим (низким) о т я у с К с м,
поскольку повышается твердость.
Существуют также некоторые легированные стали, которые могут находиться
жетжляо аакалшшом состояния только то отношению к данному легирующему
элементу (ивнрнмер, пересыщенный, твердый раствор меди и Fe-a). Тогда прн от-
жуске нмжях фазовых превращений уже ме произойдет а твердость сможет повы-
ситься только к» счет выпадения этого элемента из пересыщенного твердого рас-
твора. Выделяющиеся в начальной фава такого процесса субмнироскопические час-
тицы, по мера поиыкмтя температуры или удлинения времени выдержки, коагули-
руют в могут достигать срамите ль ко крупных раемеров.
Выделяющиеся дисперсные частицы к получающееся всхвжеяие кристалличе-
ской решетка твердого раствора повышают твердость отливди. Поэтому наиболее
правильное начале ие дашой операции отпуска — д и с л е реи о п и ое тверде-
ние. Выделе» ддсяереаык частиц происходит равномерно по всему объему от-
ливки, способствуя приближению ее к состоянию фянякб-хамнческого, структурного
и механического равновесия к протекает при температурах ниже Де). Поэтому дан-
ную операалю, несмотря на повышение твердости, следует рассматривать, как отпуск.
Достигаемая равномерность свойств в сравнительное состояние равновесия
имеют большое та ими. для получения здоровых отливок сложной конфигураций
и высоких механических свойств. Поэтому стали, способные лапать дисперсионное
твердев!*, в последнее время широко применяются для отливок.
Способностью пересыщенного твердого раствора выделять избыточную фазу
даже ври пормвлыюЯ ттвтература черв достаточно длительный промежуток времени
(се стес т в ежя ы м старением») ялн при небольшом нагреве на 100—200°
(«и с к у с с т ве я я ым старением») обычно не пользуются в производстве
стального литья.
6) Уменьшение количества газов. При понижении температуры твердого металла
и особенно пре перестройке решетки в .процессе фазовых превращений, вследствие
изменения растворимости происходит выделение атомарных газов. Время, необходи-
мое дли выделевня этих гадов, обратно пропорциональяо квадрату сечения (диа-
метра) отлшвки. Поэтому процесс дегазации три термической обработке может иметь
значение только для остеиных отливок и при длителыюй выдержке.
Из стали наиболее интевсяано может выделяться водород при фазовых пре-
вращоках. Но длительная выдержка при температурах гтреерещений ведет к коагу-
ляция структурных составляющих, что часто понижает прочность металла. Поэтому
выдержку для удалее» водорода целесообраано производить при более низких
температурах. В металле тогда не будет происходить структурных изменений, за-
метно ухудшающих свойства, а подвижность атомов будет уже достаточно высокой
для. ерввятельво внтетоияой дяффуэи! атомарного водорода.
Выдержка в течение 8—24 час. при температуре 1Б0—200° обеспечтает дрста-
точдо полное очшиеиие тошгостеиной отлявки от атомарного водорода. Этот вид
теривчесвой обработки часто ивзыаают дородным отжитом». хотя правильнее его
назвать «водородным отпуском».
7)- Улучшение. Процесс «улучшения» (пли «облагораживания») приме-
няется обычно для отливок, от которых требуются высокие механические свойстве.
Он состоит из вормалытой закалки на мартенсит е последующим отпуском для сня-
тии напряжений и получетя сорбитной структуры.
Для доствжеимя вамлучшях рмультатон а полмм пякмьэовкяйп свойств wr-
it лла, прн нормальной накалке отлнзок необходимо добиваться равномерной мартен
ситной структуры во всему сечению итлшки. Если накаленную таким образом Отлин-
в,у подвергнуть ватем отпуску, то происходит.
1) переход к фпзИКО-ХИМкчеС ком у состоянию равно-
весия, т. е обособление двух имеющихся фаз — фарритз (твердого раствора мар-
гакца, хрома, никеля и других элементов в Fe-a) и карбидов;
2) переход к структурному равновесию — к коагуляций и рав-
номерности зерен феррита и кврбидои;
Вторичная кристаллизация стали в отливках
»1
3)переход к «е х а ни ческ о и у равновесию — умеяыпедамо
внутренних напряжений в отливке.
В зависимости от тежературы я длительности отпуска получается различ-
ная степень дисперсности округленных частиц феррита и карбидов, т. е. троостит
и сорбит отпуска. Поэтому температура я длительность отпуска устанавливаются
экспериментально для различных марок стали в зависимости от конфигурации от-
ливки, требуемых значений мехажческих свойств и условий снятии напряжений
Наилучшее сочетание показателей прочности и пластичности отлявкя дости-
гается при ее сорбитвом строения, получающемся обычно при температурах от-
пуска выше 400° С.
Так как температура отпуска не превышает Aci, ТО, казалось бы, скорость
охлаждения при откусив не должна окалывать влияния на механические свойства.
Однако в действительности отливки, в особенности из некоторых марок легированной
стали, получают при медленном охлаждении с высоких температур отпуска (480—
600°) низкие показатели ударной вязкости.
Это явление было впервые обнаружено в броневых отливках из никелехромн-
стой стали. Отношение
3=ж Дд ударной вязкости ори охлаждении в масле ИЛИ на воздухе____________________
ударной вязкости при охлаждении в печи или со скоростью 20—30°/час
называется коэфициентом чувствительности стали К охлаждению после отпуска
или к появлению отпускной хрупкости.
Коэфициент чувствительности а «меняется от 1 до 10 и выше дли различных
марок стали и для различных скоростей охлаждения Ери отпуске. Он зависит от
многочисленных факторов, велоть до качества шихтовых материалов и условий слав,
ки. Особо резко На повышение коэфицнента а Влияет повышенное содержание фос-
фора, «аргадца, хрома и швселя в металле, а на гкжижеине коэфициент* с —
Присадка молибдена иля вольфрама.
Явление отпускной хрупкости ее мкет еще точного экспериментального
объяснения. Оно определяется, невидимому, выделением из За изменения раство-
римости субмзароскопическах. ие успевших коагулировать, частиц различных фос-
фидов, карбидов, оксидов к других соеджеиий по границам зерен при медленном
охлаждении.
Большую ясность в понимание этого сложного процесса вносят крупные ра-
боты, произведенные в последнее время у нас С. Т. Кишкиным (861, А. С. Завьяло-
вым [87] и Г. В. Курдюмовым 88].
Литая сталь имеет большую чувствительность к хруп-
кости отпуска, чем кованая. Это объясняется меньшей оаэстичвостыо
и более интенсивным выделенжм субыяхроскопнческих чистки по границам зерен
литой стали вследствие процессов ликвации.
На основан на изложеииого объяснения отпускной хрутгкосга естестееито
ожидать, что ока будет уменьшаться при предварительной гомогенизации отли-
вок, Диффузионный отжат лра высоких температурах в известной мере очнпиет
границы зерна от выделквшзася там еще в процессе первичной кристаллизации
различных загрязнений. Благодаря этому, при медленном охлаждении во время
•отпуска по границам зерен будет уже меньше выделений, чувствительность к от-
пускной хрупкости уменьшится. Подобное влияние гомогенизации можно видеть
из исследования влиянии диффузионного отжига прн очень высоких температурах
на отпускную хрупкость £63].
Была прозедева термическая обработка стали следующего состава: 0,21% С.
2,99% NI; 1,18% Сг. Опыт 1 — нормализация, закалка с 825° и отпуск при 575°.
Ударная вязкость по Иэоду в футо-фунтах прн охлаждении после отпуска в воде,
составляла 80, при охлаждения после откуска со скоростью 100°/час — 47.
Опыт 2 — то же после предварительной гомогенизации 3 часа при 1400°, ударная
вязкость ври охлаждения после отпуск* в но де составляла 92, а при охлаждении
со скоростью 100°/час — 80.
Тзкой процесс гомогенизации в практических условиях часто ие рентабелен
Поэтому для отливок, в которых вег большой опасности возникновения крупных
напряжений, применяют быстрое охлаждение после отпуска (обычво на воздухе). Но
в практике часто необходимо достигать механически равновесного состояния от-
ливки, уменьшать напряжения в них Для этого нужно подвергать отлявки мед-
ленному охлаждению с высоких температур отпуска. Охлаждение должно быть тем
более медленным, чем ыассданее сложнее отливка, чем меньше теплопроводность
металла. Поэтому получение стали для отливок с минимальной чувствительностью
к отпускной хрупкости является одной нз серьезных задач литейщика.
8) Изотермическая обработка отливок
В последнее время вместо обычных приемов иелрерывного охлаждения отли-
вок с температур фазовой перекристаллизации применяют в некоторых спучаях
19*
292
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
преркшое. Отливку быстро охлаждают- до температур, оптимальных ля превраше-
зай аустежта с образованием дисперсных структурных составляющих, и выдержи-
вают ее при этих температурах в течение иеобходижмх» промежутка времени. Тем-
пература а длительность выдержки зависят от состава металла, размера его зерне
п определяются из соответствующих S-образных кривых.
Как показали многочисленные исследования, для большинства марок литой
углеродисто! и легированной стали можно пользоваться S-образными кривыми, оп-
ределенными для кованой стали того же состава и размера зерна (см. например,
рис. 175 а).
Рис. 175а. S-образные кривые хромомолибде-
новой стали (оо 0,3% С; е-о 0,70% Сг я
хэ0,25% Мо) в ллтоы (сплошные) в ка
таном (пунктир) состояния
Иэотершческмб процесс сокращает длительность термической обработки, таи
как позволяет ускорить охлаждение. Длительное превращение пре низких темпе-
ратурах позволяет излучить требуемую степень дисперсности структуры путем, на-
пример, прямого превращения аустенита в сорбит без применения улучшения (нор-
мальной закалки с высоким отпуском).
При современном состоянии техники подобный процесс с успехе** может быть
применен пока лишь для сравнительно тонкостенных отливок.
Для более массивных отливок целесообразно ограничиться изотермическим от-
жигом, т. е-:
1) нагревом н выдержкой металла при температуре на 30— 50° выше точка Асз
для получения однородного аустенита;
2) быстрым охлаждением (переохлаждением) и выдержкой до полного проте-
кания изотермического превращения согласию S-обраэной -кржюй дли данного ме-
талла;
3) нагревом до температур, близких к Aci для сферондизацпи карбидов, it
последующим медленным охлаждением для достижения механически ржнкнесяого
состояния.
При изотермическом отжиге получается более равномерное строение в мень-
шая длительность термической обработки, чем при нормальном отжиге.
ГЛАВА X
ГОРЯЧИЕ ТРЕЩИНЫ В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ
И МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМИ
1. Горячие трещины в отливках
В отличие от холодных трещин, характеризующихся нормальным
внутрикристаллитным изломом, горячив трещины имеют всегда вид
темного межкристаллитного излома. Вследствие проникновения воздуха
этот излом всегда бывает покрыт налетом черных или темнобурых
окислов, что указывает на образование этих трещин при высоких тем-
пературах, рис. 176 [37].
Рис J76. Обезуглероженный металл вокруг
горячей трещины в кокильной отливке (влия-
ние оевслсв при высокой температуре). у88
Горячие трещины могут быть наружными и внутренними.
Наружные горячие трещины поражают часть сечения отливки (над-
рывы) либо все сечение (сквозная трещина) (рис. 177).
Внутренние горячие трещины поражают только (внутренние зоны
отливок, обычно массивных (рнс. 178). Этот вид дефектов стальных
отливок наиболее опасен. Внутренние горячие трещины выявляются
просвечиванием стальных отливок, а наружные— их внешним осмотром
или магнитодефектоскопией.
Наряду с усадочными раковинами горячие трещины являются
наиболее распространенным и наиболее легко воз-
никающим дефектом стальных отливок. Борьба с ними
осложнена те».;, что до сих пор не разработана еще проба, оцениваю-
щая количественно способность отлнвки противостоять образований
горячих трещий:
294
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Рис. 177. Наружные горячие трещины н стальной отливке: надрыв (слева)
и сквозная (справа). X 1
Рве. lie. Внутренняя горячая трещина при просве-
чивании Х-лучами
Появившиеся трещины необходимо заваривать, так как при по-
следующей службе отливки трещины могут увеличиться, поразить все
сечение детали и вызвать ее разрушение. Особенно опасны внутренние
трещины, не обнаруживаемые обычным внешним осмотром отливок.
2. Механизм образования горячих трещин
Возникновение горячих трещин, казвлось бы, не отличается от
образования холодных трещин. Всякая трещина появляется в условиях,
когда действующее напряжение вызывает деформацию выше крити-
ческой. Однако принципиальное отличие условий образования горячих
трещин от холодных заключается в том, что последние образуются
щ температурной области упругих деформаций металла в связи с его
послеперлитной усадкой. Горячие же трещины образуются
под воздействием доперлитной усадив при таких
высоких температурах, когда упругих деформаций
Горячие трещины в стальных отливках
в®
металла практически не существует. Кроме того, горячие
трещины, могут образоваться в твердой части отливки в периоде ее
затвердевания, когда сосуществуют твердая и жидкая фазы.
Из-за явлений механического торможения усадки возникают растя-
гивающие или срезывающие усилия (напряжения) и действительная
усадка отливки получается меньше свободной, ничем не стесненной
усадки. Чем больше сопротивление протеканию усадки, тем больше
напряжения и пластическая деформация металла, тем меньше полу-
чаемые значения действительной усадки, рнс. 179 и табл. 37.
Зиачсииа свободной и стесненной доперлятной усадки стали (0,35 J С) в темпера-
турное области абякзк интервала затвердевания [3]
Значения усадки, %
Свобод-
уеалка
Стесненная усадка (торможение
пружинами бртсков с фланцами,
ряс. 62 и 61) ед, 0/р
Пластическая деформация
я—«л. (удлинение), ° о
тонкая
пружина
средняя
пружина
толстая
пружина
тонкая
пружиня
средняя
пружина
Пружина
1400
1300
1200
1100
0,28
0,49
0,70
Расчеты Бриггса [3}
_ . _ показывают,
что, при указанных значениях дефор-
мации, -напряжения могут повышаться
даже до 0,70 кг/см* при 1100° (для
толстой пружины — наиболее стеснен-
ная усадка).
Таким образом, при торможении
усадки при температурах непосредст-
венно после затвердевания в отливке
возникают пластические деформации
и соответствующие усилия (напряже-
ния). Они могут превысить макси-
мальную деформацию и прочность
металла. В отливке тогда немедленно
начнет образовываться горячая тре-
щина. Горячая трещина будет возни-
кать в том сечении отливки, которое
является наиболее слабым, т. е имеет
наименьшее сопротивление деформа-
циям. Не следует, однако, считать,
что вто сечение должно быть наиболее
тонким в отливке. Наоборот, в отлив-
кв с различной толщиной стенок го-
рячая трещина из-за стесненной усад-
ки будет появляться чаще всего в наи-
более массивных, медленно охла-
ждающихся частях отливки, рис. 180.
Объясняется это явление тем,
что механические свойства -стали
при высоких температурах, особенно
0,02
0,64
0,09
0,18
0,28
0,07
0.20
0,39
0,57
0.04
0.08
0,09
0,24
Температура, *£
Рис. 179. Свободная и действи-
тельная усадка стальных брусков
с выступающими фланцами, меж-
ду которыми для торможеияя
усадки установлены тонкие,
средние « толстые пружины
(слегка, средне и еильнэ за-
трудненная усадка)
вблизи температур затвердева-
296 Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
ния, очень низки. Как видно из приведенных ранее данных (рис. 53),
сталь, обладающая при +20° пределом прочности а„ около 50 —
60 кг!мм? и относительным сужением около 35—45%, имеет при
1300—1400° значения % и ф меньше 1 кг/мм* и 1%. Прочность
стали при деформации среза еще меньше этих значений, полученных
Рис. 181. Образование горячих тре-
щин в боковых брусках из-за де-
формаций среза оря стесненной
Рис. 180. Механическое и термическое торможение
усадки и наружная горячая трещина (надрыв) в от-
ливке с различными толщинами стенок
при растяжении. Лишь при дальнейшем понижении тех!п’е.
ратуры прочность и пластичность начинают увели-
чиваться.
Поэтому достаточно небольших усилий для того, чтобы вы-
звать разрыв, без пластических деформаций, при высо-
ких температурах. В практике используют эту особенность механиче-
ских свойств стали при высоких температурах. В сталелитейных цехах
можно ежедневно наблюдать, как после заливки рабочие легкими уда-
рами ломика или молотка отбивают литинки или заливы довольно
больших размеров. Для их излома при нормальной температуре тре-
бовались бы усилия в несколько тонн. На канавах после разливки
стали на слитки центровые литники отрываются от литниковых ходов
легкими уборочными кранами.
В отливке (см. рис. 180) боковые тонкие части, имея более низ-
средняя часть обладают бблыпем
прочностью. Может быть, при оди-
наковой толщине стенок отливки и,
следовательно, одинаковой прочно-
сти их в периоде остывания, отлив-
ка преодолела бы сопротивление
стержня и получила бы достаточно
высокое значение усадки. Однако,
вследствие более высокой темпера-
туры средней массивной части,
прочность ее будет значительно
меньшей, чем боковых тонких ча-
стей отливки. Пол влиянием сопро-
тивления стержня к их усадке в
массивной части отлнвки может об-
разоваться наружная горячая тре-
щина, надрыв (см. рис. 180). При
прямой деформации среза горячие
трещины смогут образоваться еще
легче, рис. 181 [3].
Если тонкая часть отливки
сильно поражена газовыми или не-
металлическими включениями или
Горяяия трещины в стальных отливках
097
является конструктивно ослабленным участком (теплый угол, резкий
переход к толстому сечению и т я.), то уже в ней могут образоваться
горячие трещины.
В отливке с одинаковой толщиной стенок, при Прочих равных
условиях, слабым сечением окажется место подвода питателя
вл и установки прибыли, т. е, сечение, которое медленнее охла-
ждается.
Очевидно, что наружные горячие трешины из-за тормо-
жения усадки могут образоваться тем легче, чем больше допер-
литная усадка в первом своем периоде и чем больше
сопротивление формы свободной усадке отливки.
Таким образом, образование наружных горячих трещин в усло-
виях торможения усадки может быть как по вине металла, так
и по вине формы.
Чтобы Правильно организовать мероприятия по борьбе с горячими
трещинами, нужно, кроме качественной характеристики условий их
образования, определить и соответствующие температуры.
В этом отношении необходимо отметить ошибочность мнения Озаи-
на [40], считающего, что горячие трещины образуются только при тем-
пературах около 600°, когда способность стали к пластическим дефор-
мациям резко падает (при остывании). Приведенные факты из прак
тики, результаты экспериментальных исследований и теоретические
чанные находятся в явном противоречии с этим, суждением.
Из рис 53, 6| и 63 видно, что для стали в температурном интер
вале от солидуса До ~ 1250° наблюдаются наиболее интенсивное раз-
витие доперлитяой усадки и минимальные значения предела прочности
я пластичности стали, т. е. факторы, вызывающие образование горячих
трешин.
Поэтому критическим интервалом температур
образования горячих трещин из-за торможения
усадки в отливках из углеродистой стали следует
считать 'приблизительно 1450—1250°.
Все мероприятия по борьбе с горячими трещинами, сводящиеся
к ликвидации большого сопротивления формы усадке, должны прово-
диться только в период остывания отливки в этом критическом интер-
вале. Всякое промедление (например, разрыхление формовочной смеси,
выбивка -отливки и т п.) вызовет образование горячей трешины в от-
ливке, претерпевающей большое торможение усадки.
Для примера можно указать, что отливки с толщиной стенок
£0 *л< достигают критического интервала через I мин., а с 30—40 мм
через З-т-5 мин. после заливки
А. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА НА ОБРАЗОВАНИЕ
ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН
Металл обладает рядом свойств, как вызывающих образование го-
рячих трещин, так одновременно и препятствующих их возникновению.
1. Влияние усадки металла
Чем больше усадка металла в критическом интер-
вале образования горячих трещин, тем больше, прн
прочих равных условиях опасность их возникновения
Принципиальные основы влияния различных факторов на усадку ме-
талла рассмотрены в гл. IV При оценке влияния состава металла
необходимо учитывать только изменение той части доперлитяой усадки,
кррорая Протекает при температурах, близких к интервалу затверде-
вания.
298
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Например, общая величина доперлигиой усадки, протекающей
в интервале от температур конца затвердевания до температур пре-
вращения т -► а, у марганцемолибденовой стали составляет гдп —
= 1,25%. У углеродистой стали, с тем же содержанием углерода,
ждГГ 9=f 0,92%, т- е. значжтельно меньшая. Однако- а критическом матер.
t/еаЭна,
Ряс. 183. Иитексямюсть рмвягия
усадки стали одного в того -жв
состава во времени в зависимости
от скорости охлаждеин.::
1 — металлическая форма-, г — пвсча-
*аа форми
Рис. 182 Усадка маргянцемолибденовой
и молибденовой стали по сравнению
с усадкой углеродистой ств.ж при оди-
наковом содержании углерода:
Л — уг.-иродцстал сталь: OJ6V. С: 8,744. М»;
O,37V« S1; 1 — «оливденовая Сталь: 0,37V. 0;
0,73V. Мп; 0,85V. SI; 0,34V. Mo; I — Mspraa-
цемодабдааовал стшь: fij&v. C; Ojisv. Mb:
0,30V. Si; O.h 4t Mo
ввле температур образования горячих трещин соответствующая часть
доперлитной усадки марганцемолибденовой и углеродистой стали при-
мерно одинакова, рис. 182 [3]
Вредное влияние усадки металла в критическом интервале темпе-
ратур можно уменьшить не только понижением величины усадки путем
изменения состава металла: большое значение имеет уменьшение
интенсивности развития усадки во времени.
Уменьшение скорости охлаждения отливки почти не влияет на
уменьшение собственно усадки в критическом интерввле, ио вызывает
более плавное, более медленное и поэтому более равномерное воздей-
ствие усадки. Кроме того, между центром и поверхностью отливки бу-
дет меныпая разница температур и, следовательно, меньшая разница
в усадке этих частей отливки за один и тот же промежуток времени,
рис. 163.
Наконец, слой формовочной смеси, соприкасающийся с отливкой,
потеряет прочность на большую глубину и, следовательно, окажет
меньшее сопротивление усадко более медленно охлаждающейся отливки.
Поэтому, при прочих равные условиях, в отливках, заливаемых
в -песчаные формы вместо металлических или в подогретые вместо
холодных, опасность образования наружных горячих трещин
будет меньше.
и
Горячи» трещины в стальных отливках
999
протекающей
шератур цре-
являет едп —
иж углерода,
веском натер-
развитии
в зависимости
маждения:
ФКВ Пе°4'1
2. Влияние жидкотекучести металла
В наружной корке затвердевающей отливки, под влиянием ее усад-
ки, сопротивления формы в давления металла может образоваться
большое количество мелких наружных трещинок, сейчас же заполняю,
щихся жидким металлом. Трещинки могут не заполниться, если металл
имеет низкую жидкотекучесть вли произойдет быстрое затвердевание
отливки. Стенки трещинок подвергнутся окислению, сама трещинка
сможет увеличиться и остаться в остывшей отливке в виде наружной
горячей трещины.
Заполнение трещины жидким металлом из сердцевины отливки
должно происходить через многочисленные поры и капиллярные кана-
лы 'между первичными кристаллитами Поэтому при дендритной их
форме возможно частичное заполнение горячей трещины или проника-
ние в ее полость обогащенного примесями маточного раствора, рис. 184.
"’Г’
у
ующая честь
й стали при»
рвале темпе-
кадкн путем
еньшение
ии.
е влияет на
но вызывает
рное воздей-
[отливки бу-
цая разница
гок времени,
с отливкой,
ьно, окажет
йся отливки.
заливаемых
етые вместо
х трещин
Рве 184. Частично ззпо.чненная жидким металлом
горячая трещина после ее образования. У 2,5
Чем лучше жидкотекучесть металла, тем быстрее
и полнее происходит заполнение образующихся
в твердой корке отливки мелких трешин.
3. Влияние первичной кристаллизации, усадочных раковин,
ликвации, газовых и неметаллических включений
Все свойства металла, связанные с неблагоприятными условиями
первичной кристаллизации, могут существенно влиять на образование
горячих трещин, особенно внутренних, в массивных отливках.
Крупные кристаллиты имеют слабые межкристалличеснне санзи.
толстую межкристаллитную пленку, и часто строение грубой сплошной
транскристаллизацин. Следовательно, они обладают минимальной проч-
ностью как раз в том направлении, в котором действуют усилия из-за
усадки. Поэтому, как правило, в отливках из легированной стали
с крупным строением при первичной кристаллизации легко образуются
горячие трещины.
А А. Бочвар отмечает, что горячие трещины могут легко образо-
ваться непосредственно в процессе первичной кристаллизации, до пол
ного затвердевания отливки, если только строение ее характеризуется
интенсивным образованием дендритов. Как указывалось, линейная
усадка металла может начаться еще до полного затвердевания отлив-
ки. Для этого достаточно иметь непрерывную твердую фазу нз пере-
плетающихся осей и ветвей дендритов Между ними могут находиться
зоо
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
еще отдельные участки жидкого металла. В результате, процесс усад-
ки начнется прн отсутствии даже минимальной прочности металла, что
может привести к образованию горячих трещин.
Металл с малым интервалом затвердевания, не дающий развитых
дендритов, образует массивную, сплошную наружную корку, легче
противостоящую образованию горячих трещин.
Рнс. 185. Налево — горячая трещина во фланце парораспреде-
лительной. коробки. Трещина образовалась в массивной части
отливки, v местной усадочной раковины. Надрано — вну-
тренняя горячая трещина v хвоста усадочной раковины (про-
свечивание)
Местные усадочные раковины, зональные или межкристнллические,
ослабляют сечение оглИвки н являются очагами концентрации напря-
жений. Они поэтому часто служат первоисточником образования вну-
тренних горячих трещин. Кроме того, скапливающийся в раковинах
молекулярный "водород способен развить большие давления, которые
вызывают разрыв металла вокруг раковины. Во многих случаях го-
рячие трещины обнаруживаются вблизи усадочных
раковин, рнс. 185.
Усадочные раковины обычно дают начало внутренним горячим тре-
щинам, развивающимся у хвоста раковины. Поэтому такие трещины
часто, неправильно отождествляют с усадочными раковинами.
Все исследования по просвечиванию участков усадочной рыхлости
показывают наличие большого количества мелких межкристал титных
трещин.
Внутренние горячие трещины, расположенные вблизи усадочной
раковины и в зоне усадочной рыхлости, имеют обычно многочисленные
ответвления. Наружные же горячие трещины, расположенные, как пра-
вило, перпендикулярно оси напряжений, ответвлений не имеют. Они
цногда располагаются в виде нескольких параллельных между собой
надрывов (см. рнс. 177).
Неоднородность состава как следствие нормальной ликвации так-
же способствует образованию внутренних горячих трещин, так как
Горячив трещины в огольцы» отменах
301
понижает прочность металла. Особенно опасна в этом отношении лик-
вация серы как элемента, вызывающего красноломкость металла.
Наличие газовых и неметаллических включений влияет ла обра-
зование как наружных так и внутренних горячих трещин
4. Влияние температуропроводности металла
В отливках из стали с низкой температуропроводностью получает-
ся большая разница температур между наружными и срединными зо<
нами. В наружных зонах, имеющих более низкую температуру н по-
этому более прочных, процессы усадки развиваются более интенсив-
но, что ведет к отрыву- их от срединных зон. Образуются в н у т р е н~
н и е горячие трещины. Аналогичное явление имеет место в отливках
с непосредственным сопряжением тонких и толстых частей.
Влияние низкой температуропроводности также резко сказывается
в высоких массивных отливках, например, в валках из хромовольфра-
мовой стали. Медленно образующаяся тонкая корка затвердевшего
металла не выдерживает в нижней части отливки металлостатического
напора, вследствие чего в ней образуются продольные наруж-
ные горячие трещины.
5. Влияние прочности металла
Прочность металла после затвердевания могла
бы явиться главнейшим фактором, противодейству-
ющим образованию горячих трещин. Но из приведенных
на рис. 53 исследований различных марок стали по образцам, прогре-
тым насквозь до определенных температур, усматривается, что как раз
при высоких температурах значения и -ь минимальны. Вместе
с тем в действительных условиях остывания отливки наружные зоны
могут иметь сравнительно низкие температуры и, следовательно, при-
обрести большую прочность» В это же время средняя зона, находясь
еще в области высоких температур» будет обладать очень низкой проч-
ностью. Таким образом, прочность отливки, имеющей температурный
градиент по сечению, может оказаться совсем иной, чем. образца рав-
номерно прогретого до какой-либо температуры средней зоны отливки
в данный момент остывания.
Таблице 38
Механические свойства и скорость охлаждения наружной и срединиой зоны отжш
брусков диаметром 26 мм Сч? 8 брусков в опоке № 6 для измерения t°). {89]
№ образца Время после заливки сек. Температура при ох>ажд<-вни, еС Предел прочности Оъ Удлинение иа 100 мм длины
S Я а
зона отаввки кг/мм* В41 %
ОТЛИВКИ
1 20 1342 1432 0,3 0
2 28 1335 1424 0,5 0
3 34 1328 1412 0,5 0
а 39 1322 1398 0,95 0
5 44 1306 1356 1,05 1
7 50,5 1282 1330 1,30 3
8 57,5 1254 1298 1,65 29
Примечания. 1) Температура формы 130 °C.
2) Жидкий излом образца № 1, 2 и 3.
302 Литейные свойства и а(оричная кристаллизация стали
Поэтому для практического использования имеют значение иссле-
дования о прочности стали при различных 'высоких температурах на
образцах непосредственно после их заливки, при охлаждении в форме.
Ряд подробных данных для стали различных марок будет рассмотрен
ниже. Здесь можно привести следующие данные для обычной широко
распространенной углеродистой стали: 0,20% С; 0,30% Si; 0,60% Мп
(табл. 38 на стр. 301 по исследованиям Холла [89J).
Таким образом, и при остывании отливки в форме значительное
возрастание прочности и пластичности ( ot и 8) имеет место только
при температуре ниже 1300°, (Наружные эоны исследованных брусков
диаметром 25 мм достигают этой температуры через 50 сек., а средние
через 1 мин.) Приведенные данные вновь подтверждают критичес-
кий интервал образования горячих трещин в среднем
й 1250—1450°. Все мероприятия по повышению прочности (металла дли
борьбы с горячими трещинами должны быть направлены к повышению
соответствующих показателей только при этих температурах.
К сожалению, возможности в этом отношении пока ограничены.
Почти все элементы, повышающие прочность, в том числе углерод,
при столь высоких температурах находятся в твердом растворе в Fe-y
или в Fe-8 и поэтому мало влияют. Только элементы, умельчающие
зерно первичной кристаллизации и упрочняющие в виде дисперсных
карбидов, нитридов и других соединений границы зерна, могут в неко-
торой степени повысить сопротивление отливки к образованию горя-
чих трещин.
Важно также подчеркнуть, что элементы, повышающие пла-
стичность металла прн критических температурах, затрудняют
образование горячих трещин более эффективно, чем элементы,
повышающие прочность.
Некоторые элементы влияют особо резко на понижение даже тех
впалых значений аь и 8, которые имеет металл в критическом интер-
вале Такие элементы задерживают повышение и 8 при понижении
t°, т. е. расширяют температурную область низких свойств металла.
Это влияние, вызывающее по существу красноломкость ме-
талла, особенно пягубно в отношении образования горячих тре-
щин. Соответствующие злемеяты дают легкоплавкие соединения, на-
ходящиеся при высоких температурах в жадном состоянии по грани-
цам кристаллитов (влияние серы и кислорода) или в виде газовой
оболочки (влияние водорода). Влияние серы на понижение аь и 8,
на увеличение критического интервала образования горячих трещин
усматривается из данных табл. 39.
Таблица 39
Мехлничесгм свойства углеродистой стали с повышекиым содержанием серы
(0,17% С; 0,20% Si; 0,66% Мп; 0,14% S в 0,03% Р) в отливке бруска 2S мм при
охлаждении в форяе после яаливкв [89]
Ni пробы Время после залжвкн сек. Температуре наружной зоны образца М 6 при охлаждении, ®С Предел прочности Ср, кг'ммТ Удлинение ва 100 мм длины В* %
1 20 1408 0.09 0
2 28 1394 0.19 0
3 34 1380 0.19 0
4 41,5 1346. 0,40 0
5 50,5 1290 0,62 0
7 59 1240 1,00 0
8 66 1200 0,93 0
Горшие трещины в стальных отливках
303
Приведенные в табл. 38 н 39 данные получены в остывающих от-
ливках брусков диаметром 25 мм. Эти данные нельзя рассматривать
как обобщающие для отливок других размеров. Показатели прочности
остывающей отливки в сильной степени зависят от температуры н, сле-
довательно, от свойств наружной зоны. Поэтому большое значение
имеет отношение объема к поверхности охлаждения, т. е. приведенная
толщина стенок отлнвки.
Рис. 186. Влияние размеров отлнвки на ее
пределы прочности и удлинение при осты-
вании в форм» (углеродистая сталь 0,25% С;
отливки с приведенной толщиной стенок 6
и 10 мм; днны температуры только на-
ружной зовы)
Прн прочих равных условиях в данный момент остывания и при
одинаковой температуре наружной зоны отливки, чем больше ее
приведенная толщина, тем меньше прочность,
рис. 186.
в. Влияние температуры и скорости заливки
Температура заливки, казалось бы, не должна влиять на горячие
трещины в отливке, образующиеся в ней только во время или после
затвердевания. Однако в литературе и практике часто встречаются
противоречивые данные о влияния температуры заливки. Имеются,
например, категорические рекомендации применять аалввху металлом
с большим перегревам для борьбы с горячими трещинами е отливках
и слитках.
Высокая температура зынвкн улучшает жидкотекучесть металла,
удлиняет время нахождения его в жидком состоянии в срединных эо-
нах отливки, уменьшает скорость охлаждения непосредственно после
затвердевании. Поэтому с точки зрения борьбы с наружными горячими
трещинами в тонкостенных отливках .высокая температура
разливки может оказаться полезней.
Однако для отливок с массивными стенками высокая
температура заливки недопустима. Она вызывает не
только сильное развитие горичих трещин (главным образом внутрен-
них), но и других литейных дефектов. Увеличивающиеся усадочные
раковины, крупная кристаллизация, ликвация способствуют образова-
нию горячих трещин.
Чтобы разрешить эти нротиворечня, необходимо регулировать
скорость заполнения формы, которая влияет на качество
304 Литейные ввойствя к erogu^HCM к/тисталливацйл стали
отливки во многих отношениях идентично температуре заливки. Для
иллюстрации влияния скорости заполнения формы на образование
горячих трещин .можно привести результаты исследования отливок паро-
распределительной коробки с толщиной стенок 15 мм и весом 125 кг.
Прн заполнении формы в 14 секунд горячих трещин не было. При
заполнении в 25, 27 и 28 секунд были обнаружены небольшие трещины
в торце отливки у третьего массивного придира. При заполнении
в 30 секунд — небольшие трещины в торце отливки у второго массив-
ного прилива- За 37 секунд — образовались небольшие продольные
трещины по длине коробки, а уже при заполнении в 39, 40, 47 и 50
секунд появлялись крупные трещины в различных местах отливки.
Аналогичные результаты получены при изготовлении тонкостенных
отливок авиабомб (толщина стенок 12 мм, внутренний диаметр 420
длина 1330 мм). Брак этих отливок по недоливам, «спаям» и
трещинам значительно снизился при повышении скорости заливки (до
50 сек., т. е. более 25 мм!сек по высоте, а еще лучше 40 и даже
50 мм!сек) и повышении температуры заливки с 1550 до 1580° С1.
В массивных же сплошных ртливках, на пример, в слитках весом
2540 кг, установлено: 1
Время заполнения фор-
мы, мни....... 2,0 3,0 3,5 4,0 5.0 6,0 7,0
% горячих трещин в
слитках......... 100 50 40 10 5« 2« Нет
1 Мелкие трещины. * Очень мелкие трещины.
Таким образом, для тонкостенных отливок с целью борьбы с горя-
чими трещинами следует рекомендовать, обратив особое внимание на
правильный подвод металла, заливку металла с большой скоростью
и высокой температурой. Для массивных отливок нужно применять
возможно более низкие, определяемые качеством формовочных мате-
риалов, скорости заполнения.
Б. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ НА ОБРАЗОВАНИЕ ГОРЯЧИХ
ТРЕЩИН В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ
Как следует из изложенного, мероприятия по борьбе с горячими
трещинами, предпринимаемые по улучшению свойств стали, сравни-
тельно ограничены. Олн не могут дать исчерпывающего эффекта, если
велико торможение усадки. Поэтому мероприятия по ликви-
дации горячих трещин должны приниматься при
разработке технологии формы. Эти Мероприятия должны
быть тем более полными, чем больше возможность образования горя-
чих трещин из-за свойств металла, т. е. чем больше доперлитная усад-
ка или меньше прочность металла при высоких температурах
Основными причинами, вызывающими образование горячих тре-
щин по вине формы, являются механическое и термическое торможе-
ние усадки отливки. Поэтому основными мероприятиями по борьбе
с горячими трещинами являются создание податливой формы,
правильной конструкции отливок, правильных усло-
вий ее заполнения и остывания
1. Податливость фермы
Части формы, образующие наружные поверхности оттцрки, долж-
ны обладать податливостью только в том случае, если отлпвка имеет
какие-либо выступающие части. Части формы и стержни, обра-
1 «Влияние скорости з&иолиения на наготовлепиЬ некоторых тоикастеиных сталь
них отливок», J. Iron a. Steel Inst.. 1946, IT. 519.
Горячие трещины в Стальных отливках
М5
зующие внутренние поверхности отливки должны
быть податливы всегда.
Соответствующие мероприятия очень многообразны и зависят как
от той степени податливости, которую нужно сообщить данной части
формы, так и от особенностей ее конструкции. Увеличение податливо-
сти формы за счет формовочных материалов осуществляется двумя
путями:
1) максимально возможным понижением прочности и
максимально быстрей «разрушаемостью» формовочной
смеси;
2) максимально возможным уменьшением толщины слоя
плотно набитой формовочной смеси.
Понижения прочности формовочной сМеси важно добиться прн
высоких температурах. Обычные характеристики сырой или сухой
прочности, определяемые при нормальных температурах, не всегда
в этом отношении показательны Горячая прочность уменьшается с по-
нижением содержания влаги, с увеличением размера зерен песка, с
повышением газопроницаемости смеси.
Некоторые смесн имеют очень высокую горячую прочность. Сопро-
тивление сжатию достигает 0,7 кг/лл2 при 1100°. Такая прочность
может легко вызвать образование горячих трещин в отливках. Но, как
известно, при температурах 1350—1375° горячая прочность формовоч-
ных смесей резко падает (сопротивление сжатию до 0,004—0,07 кг/льи2).
Из приведенных ранее исследований (рис. 19 и 65а) можно видеть, что
ближайший слой смеси у стенок отливки прогревается именно до таких
высоких температур и поэтому не тормозит усадку.
Таким образом, основным требованием к качеству формовочной
смеси для борьбы с горячими трещинами в стальных отливках являет-
ся максимальное понижение их горичей прочности. «Разрушае-
мость» смеси должна произойти по возможности при
более низких температурах и в максимально корот-
ки й срок.
Здесь опускается рассмотрение известных данных о фанторах,
влияющих на прочность и разрушаемость формовочных смесей . Сле-
дует только подчеркнуть, что применяемая, часто в излишних количе-
ствах, огнеупорная глина не только резко повышает горячую проч-
ность, но и значительно удлиняет время разрушения смесей прн высо
ких температурах.
Приведенное выше сопротивление сжатию в 0,7 кг/лш2 дает смесь
с 15% глины и 6% влаги. Замена глины бентонитом (5%) н снижение
влаги до 2,5% понижает горячую прочность вдвое. Особенно резко
влияет удаление глины нз смеси на сокращение времени разрушения.
Отработанная смесь, содержащая глниу, разрушается при 1370° в тече-
ние 8,0 мин., а синтетическая смесь без глины—,в течение 25 мни.,
рис. 186а.
Состав смеси должен обеспечить сочетание свойств достаточно вы-
сокой горячен прочности, предохраняющей от засоров при заливке
формы, с достаточно быстрым падением этой прочности, предохраняю-
щим от образования горячих трещин в отливке.
Для достижения этих свойств смесей применяют известные составы
с различными органическими крепителями и с добавкой опнлок в сме-
си для сухих форм. Большое значение и борьбе с горячими трещинами
стальных отливок имеет заливка в сырые формы и с сырыми («вяле-
ными») стержнями, имеющими прочность в несколько раз меныпую,
чем сухие
i См. П. П Берг. Формовочные материалы. ОНТИ, 1933.
20 Так 79. Ю А. Нехеидзи
Литейные ееойетва U яГоричНйя кристаллизация стали
Несмотря иа все значение свойств прочности и разрушаемости
формовочных смесей, решающее влияние оказывает толщина их слоя.
Масса смеси в стержнях и между выступающими частями отливки
должна быть минимальной, чтобы облегчить усадку оттивкн.
Еще Д К. Чернов в 1878 г. указывал в качестве мер борьбы
трещинами необходимость
«...устранеиия препятствий к свободному стягиванию всех частей отлитого изделия».
Весьма эффективным мероприятием для ликвидании торможения
усадки наружных, выступающих частей отливки, является ее выбив-
ка из опоки, а для свободной усадки внутренних частей отливки —
выбивка стержней. Очевидно, что эти операции должны быть
произведены немедленно после заливки. Поэтому их практическое
осуществление затруднительно, вредно отражается на здоровье и про-
изводительности рабочих и может применяться только для единичных
отливок. Известным паллиативом является разрыхление ломами
формовочной смеси в тех частях формы, которые тормозят усадку.
время разрушения,мип
Рне. 186а. Изменение объема н разрушаемость сухих
сдержней при быстром нагреве (термический удар)
да 1370°С:
1 — отработанная смеет.. г.ллгржьтвяя глину п нмсюЛвя
кроинцаемоить 1W; > - сиееь с 1 IV . бентонит» II пронм-
«•емостыо 121; х — смесь с л.Я*Л бещомит» я проницмь
митьо 11N; * — емясь бен б^нтонйтА содецжыддая •Iм*
декстрина, жиеющки ироянцаецоспь ШЧ
Более надежным и легким средством является закладывание
при формовке в опоку деревянных досок на таком расстоянии
от выступающих частей отлнвки, какое только необходимо для мини-
мальной толщины слоя формовочной смеси. Перед сушкой формы эти
деревянные доски удаляются из опоки. Образующаяся пустота не
представит уже никакого препятствия к усадке отливки.
Часто оставляют пустые пространства в форме, не
заполненные утрамбованной смесью. Тогда выступающие части отлив-
ки при усадке встречают только сопротивление сравнительно неболь-
шого слоя формовочной смеси, рис. 187.
Большое значение имеет такой метод ослабления сопротивления
усадки при изготовлении стержней для тонкостенных и кокильных от-
ливок На рис. 188 представлен разрез подобного пустотелого стержня
отливки цилиндра турбины. Видны также чугунная рамка, каркас
стержня. Чугун применяется не только как дешевый материал, легко
выполняющий сложную форму рамки: чугунную рамку для облегче
ния усадки легко разбить молотком немедленно после заливки.
При проектировании размеров рамки и при установке ее в стерж-
невой ящик необходимо обращать специальное внимание на то, чтобы
тали
. . _______ Горячие трещины в стальных отливках
Ж
L разрушаемости
Элщнна их слоя,
частями отливки
кивки.
! мер борьбы с
отлитого изделия»,
пни торможения
Еся ее в ы б и в-
стей отливки —
!и должны быть
|х практическое
1 здоровье к про-
а для единичных
пение ломами
мозят усадку.
вклады ванне
таком расстеинкн
Еодимо для МИНН
лпкой формы зт.ч
аяся пустота не
Ьки.
1ва в форме, не
Р,ие части отлип*
ительно неволь-
|ия сопротивления
I и кокильных от-
ртотелого стержня
[я рамка, каркас
I материал, легко
|Мку для облегче
|е заливки.
новке ее в стерж-
|ание на то, чтобы
с^жю Cnn^^„rn^>CTpS‘^B0 " с минямяльиым слоем формовочной смесн
целью предоставлении свободной усадки патрубкам большого тонкостенного
тройника для водяной турбины
Рнс. 188. Вид внутренней честя центрового стержня цилиндр*
турбины. Стержень сделан пустотелым с чугунной рамкой, далеко
расположенной от стенок отливки
20*
308
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
рамка был., расположена достаточно далеко от сте-
нок отливки, не препятствуя ее усадке. Также необходимо следить
тем, чтобы траверсы опок, служащие для укрепления формовочнс
смеси в форме, не были слишком близко расположены к выступающим
частям отливки, в частности к ее прибылям.
Внутренняя полость крупных стержней вместо специальных пустот
может быть заполнена коксом н сгарками. Они не представляют сопро-
тивления усадке, одновременно обеспечивая высокую газопроницае-
мость стержня. Лицевой слой стержневой смеси должен быть мини-
мальной толщины и с примесью опилок. Каркас стержня состоит из
чугунной рамки с залитыми тонкими мягкими проволоками с заострен-
ными концами, обмотанными соломой или шпагатом и расположенны-
ми далено от стенок отливки, рис. 189.
Очень эффективным средством ликвидации в тонкостенных круп-
ных отливках сопротивления стержня или формы является введенный
автором метод заливки -воды в канал, оставленный в стержне
или в части формы при ее изготовлении. Вода превращает в жидкую
грязь формовочную смесь.
Подача воды должна быть произведена точво в области критиче-
ского интервала образования горячих трещин при остывании отливки.
Слишком ранняя подача воды, когда только образовалась тонкая ко-
рочка затвердевшего металла, может вызвать ее разрушение интенсив-
но образующимися парами воды, вследствие взаимодействия их с жид-
ким металлом и взрыв. Поздняя подача воды, когда отливка пройдег
критический интервал, бесполезна.
Это мероприятие требует исключительной точности и осторожности
в его проведении и принятия соответствующих мер по технике безо-
пасности.
2. Влияние конструкции отливки
Конструкция отливки оказывает очень резкое и часто решающее
алияние на образование горячих трещин. Влияние конструкции рас-
пространяется как на условия кристаллизации стали со всеми связан-
ными явлениями, так и на термическое и механическое торможение
усадки отливки.
Для уменьшения вредного влияния термического торможения
усадки наилучшей конструкцией является равномерная толщина сте-
нок отливки. Но если отливка имеет стенки даже одинаковой толщи-
ны, расположенные под углом с острым переходом, то в этом месте
неизбежно образование трещины. Она получается потому, что здесь
сочетается влияние «теплого угла» и стыка различно ориентированных
кристаллитов, т. е плоскости слабины при транскристаллизации. Если
произвести одностороннее закругление в сочленении двух стенок оди-
наковой толщины, то резкое влияние транскристаллнзации ослабеет.
Однако, вследствие получаемого термического узла, неизбежно обра-
зование местной усадочной раковины, ослабляющей сечение и валяю-
щейся очагом концентрации напряжений. Только _ двустороннее за-
кругление обеспечит сочетание наилучших условий кристаллизации
с отсутствием термических узлов, что значительно уменьшит опасность
образования горячих трещин (см. рис. 119 и 138 Аа). Но в ответствен-
ных тонкостенных отливках, в особенности работающих под давлением,
даже подобные переходы следует делать более плав-
ными как показали исследования [90], рис. 190.
Прн сопряжении тонкой и толстой части отливки горячая трещи-
на может образоваться вследствие термического торможения усадки
толстой части. Поэтому никогда не следует делать резких переходов
Горячие трещины в стальных отливках
збэ
еко от сте-
имо следггь за
1 формовочной
к выступающим
иальных пустот
ставляют сопро-
| газопроницае-
ен быть мини-
кия состоит из
ими с заострен-
расположенны-
ленных круп-
ней введенный
нм в стержне
ает в жидкую
бласти критиче-
ывании отлнвки-
-ась тонкая ко-
шение интенсив-
сгвия ИХ С жид-
|тливка пройдет
и осторожности
io технике безо-
часто решающее
инструкции рас-
со всеми связан-
ное торможение
pro торможения
ая толщина сте-
шнаковой толщи-
то в этом месте
кому, что здесь
ориентированных
|таллиэации. Если
.двух стенок оди-
пизацин ослабеет.
неизбежно обра-
сеченне и являю-
днустороннее за-
1 кристаллизации
Ьенишит опасность
Г Но в ответствен-
ен* под давлением.
и горячая трещи-
>рможения усадки
резких переходов
Рис. 189. Формовка стержня для крупной тонкостенной отлнвки спирали
водяной турбины рве. 4 (виден минимальный по толщине слой стержневой
смеси, удаленный от стенок отлнвки каркас стержня; кокс и старки во
внутренней части стержни). Внизу — стержень легко высыпается нз отлнв-
ки прн ее очистке
в толщине различных частей отливки. Изменение толщин должно про-
исходить плавно, как следует из рис. 191, 192.
Иногда по конструктивным соображениям нельзя избежать прямо-
го сопряжения тонких и толстых частей отливки. Тогда для укрепле-
ния тонкой затвердевающей корки в толстой части отливки применяют
систему усадочных ребер.
Усадочные ребра должны широко применяться как литейщиком
в сырой к сухой форме в процессе формовки, так и конструктором не'
Литейные свойства и вторичная кристрллизиция стали
310
Рис. 190. Вверху — неправильная конструкция па-
рового сита турбины (в переходах я и б дефекты,
вызывающие течь при гидравлическом испытании);
в и и з у — правильная конструкция с плавным пере-
ходом
1—Р4С -4
Рис. 191. Ход затвердевания
в переходе от толщины стинки
в 80 мм непосредственно б 40 жж
(тонкая часть дизыетром 40 мм,
как индно из пунктирных линий
изосолидусов, затвердевает вод-
ностью приблизительно черва
2,5 мин. а в средних зонах тол
стой части дярметром 80 им через
4.75 мин. имеется еще жидкий
металл)
4
Горячив трещины 0 сталышх отливках
311
посредственно при проектировании отлнвки. Усадочные ребра, пропн
ливаемые обычно формовщиком от руки толщиной в несколько мил-
лиметров, имеют большую поверхность и быстро остывают Ови по-
этому быстро приобретают большую прочность и принимают на себя
значительную часть напряжений, возникающих в толстой части отливки
из-за термического торможения усадки.
Рис. 192. С л ева — неправильная конструкция, образование горячей трещины
Справа- правильная конструкция — постепенный переход толстого сечения в тон-
кое для предотвращения образования горячих трещин
Укрепляющие ребра совершенно необходимы не только в местах
перехода от толстых частей к тонким. Они также нужны в конструк-
циях, имеющих выступающие части, претерпевающие механическое
торможение усадки.
Необходимо отметить, что подобные укрепляющие усадочные ребра
в некоторых случаях практики дают холодные трещины. Для равно-
мерного распределения и уменьшения возникающих термических на-
пряжений этим ребрам необходимо придавать плавные очертания,
рис. 193.
Рис. 193. Система уса-
дочных ребер в отлив-
ках крышек, выполнен-
ных как конструктором,
так и литейщиком не-
посредственна в форме.
Справ — а—непра-
вильная и б—правиль-
ная конструкция усадоч-
ного ребра
Существенным мероприятием для борьбы с горячими трещинами
по линии конструкции отливки является увеличение толщины
ее стенок Влияние более массивных толщин стенок на преодоление
сопротивления усадки уже рассматривалось ранее (стр. 120). Очевидно,
что с экономической точки зрения увеличение толщины стенок отливок
с целью уменьшения опасности образования горячих третий mojkhq
рассматривать только, вдк крайнюю вдру.
312 Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Необходимо также отметить, что в более толстых отливках полу-
чается большой температурный градиент по сечению, особенно в обла-
сти высоких температур непосредственно после затвердевания. Поэтому
в таких отливках легче могут образоваться внутренние горячие тре-
щины, не выходящие нй поверхность.
Принципиальное влияние конструкции на образование горячих
трещин заключается в создании условий одновременногс
затвердевания и равномерного остывания отливки.
В этом отношении оно совпадает с одним нз пу*гей влияния конструк-
ции на уменьшение усадочных раковин в отливках Второй же путь
влияния конструкции — создание направленного затвердевания и ред-
кого температурного градиента к прибыли — находится в явном проти-
воречии с условиями ликвидации горячих трещин. Поэтому даже для
обеспечения направленного* затвердевания нельзя создавать конструк-
ций со значительной и резкой разницей в толщинах стенок.
Оптимальное решение вопроса находится каждый раз индмвидуаль
но, в зависимости от общих конструктивных особенностей, условии
службы отливки, а также методов ее заливки. Ряд примеров из прак-
тики рассматривается в дальнейшем.
Теоретически наилучшим методом сочетания мер борьбы с усадоч-
ными раковинами и одновременно с горячими трещинами является со-
здание условий направленного затвердевания к прибыли и равномер-
ного остывания отливки немедленно после ее затвердевания. Осуще-
ствить эту идею практически чрезвычайно трудно.
3. Влияние нодвода металла, установки прибылен н скорости
остывания отливки
Различные методы подвода металла и установки
прибылей могут влиять на образование горячих трещин в отливке
путем термического и механического торможения усадки. Часть отлив-
ки, к которой прирезан литник или на которой установлена прибыль,
затвердевает и остывает медленнее, чем рядом расположенная. Вслед-
ствие этого в соответствующем слабом сечении отливки может возник-
нуть горячая трещина.
Таким образом, подводом металла и установкой прибылей, обес-
печивающих условия направленного затвердевания и уменьшения уса-
дочных раковин, создается опасность обиазования горячих трещин По-
этому для Длинных отливок с большой абсолютной величиной усадки
и с опасностью ее механического торможения необходимо прирезат
чиТннкн в более тонкие часта Они разогреются проходящим количе-
ством металла — остывание отливки будет более равномерным.
Прирезка литников в тонкое место отливки необходима
но всех случаях смягчения резко выраженных условий направленного
затвердевания или вообще для достижения равномерного остывания
обливки. В отливках же сравнительно простой конфигурации, с не-
большой абсолютной величиной усадки, и малым сопротивленцем ее
полному развитию, — прирезка литников может быть произведена уже
прямо в прибыль или в толстое место. В этом случае можно прене-
бречь влиянием подвода металла на образование горячих трещин.
Сосредоточив внимание на борьбе с усадочными раковинами и рых-
остыо
В’ тонкостенных 'слЬжных отливках большого габарита с одина-
ковой толщиной стенок в участках подвода металла получается на-
столько сильный местный разогрев, что появление горячих трещин
неизбежно. Поэтому для подобных отливок подвод металла осуще-
ствляется возможно равномернее, во многих местах отливки, рис. 194,
Горячи» трещины в стальных отливках
813
Рис. 194. Равномерный подвод металла в отлнаках с равномерной толщиной' стопок:
вверху — заливка через один стояк ахтгрштевнн (кормовая часть корабля) tpae-
нительно малых размеров (длина 6 м); внизу — заливка через два стойка (два
стопора в новше) ахтерпггевня большого размера (длина 12 ж) (стт. рис- I)
Для тонкостенных небольших отливок, которые можно заливать
без прибылей, равномерное остывание достигается лучше всего при-
менением «карандашной* литниковой системы, рис. 195.
Во многих случаях литниковые системы могут вызвать горячие
трещины вследствие механического торможения усадки отливки. Эта
опасность особенно велнка именно в
тех случаях, когда для равномерного
заполненвя формы создается сложная,
связанная литниковая система (на-
пример, рнс. 194 — низ) Для умень-
шения этого влияния нужно разоб-
щать литниковую систему (делать,
например, два независимых стояка),
конструировать зигзагообразные лит-
никовые ходы, рнс. 196.
Для особо тонкостенных отливок
больших габаритов нужно иметь со-
вершенно не связанную с усадкой от-
ливки литниковую систему, рнс. 197.
Прибыли в отливках
щин во всех тех случаях, когда они чрезмерно крупных размеров
и встречают большое торможение усадки. Коническая прибыль, резко
Рнс. 195.
горячих тре-
уширяющаяся кверху, хороша для питания отливки, однако затрудняет
ее усадку в вертикальном направлении. Вследетвие этого могут воз-
никнуть поперечные горячие трещины. Для ликвидации их иногда бы-
вает недостаточно принять меры по увеличению податливости формы
(в случае металла с красноломкостью). Приходится прибегать к изме-
нению формы прибыли, менее благоприятной по эффективности ее
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
использования, но заго не вызывающей образования горячих тпешип
рис. 197а. F
Как указывалось, замедление остывания отливки, ведущее к бо-
лее медленному протеканию усадив, во многих с чу чаях предотвращает
образование горячих трешин В связи с этим 1иногда применяют подо-
грев форм или специальные малотеплопроводные н даже экзотерми-
ческие формовочные смеси вокруг
тонких частей отзивкн (добавки в
нормальные смеси асбестовых об-
резков, инфузорной земли, термита
Рис. 196- Симметричный тангенци-
альный подвод металла с зигзаго-
образными литниковыми ходами под
прибыль в кольцевых стальных от-
ливках (диаметром от 1,5 до 2,5 м)
Рис. 197. Правильный свободный и непра-
вильный снизанный (пунктир) подвод метал-
ла в тонкостенной большой отлвке уоробкн
переводного клапана мартеновской печи
Рис. 197а. Неправильная (/) и правильная (7) форма
прибыли в отливке валка, заливаемого сталью, даго-
шей красволомкость (сталь малого бессемерования
с содержанием 5 -
Горячие трещины в стальных отливках
315
Для ускорения же остывания различных термических узлов обычно
применяют местные внутренние и
Но необходимо отметить,
что часто под массивны
м и сплошными наруж-
ными холодильник а-
м и обнаруживаются поверх-
ностные горячие трещины.
Чрезмерно быстрое затверде-
вание [металла вызывает очень
интенсивное развитие усадкн
и. кроме того, затрудняет воз-
можность заполнения обра-
зующихся наружных трещи-
нок жидким металлом из глу-
бинных зон отливкн.
Поэтому ДЛЯ борьбы с ГО-
РЯЧИМИ трещинами нужно при-
менять наружные холодильни-
ки н е сплошные, а в виде
отдельных плиточек, прут-
ков и т. п. Укладывать холо-
дильники по стенкам формы
или стержня нужно с некото-
рыми промежутками, рис. 198
наружные холодильник 1.
Рис. 198. Применение специальных,
наружных холодильников (черные),
укладываемых с промежутками
* крупной отливке плиты пресса
и W1.
Очевидно, что при боль-
шом промежутке между холо-
дильниками соответствующая
часть стенки отливки не будет
подвержена их воздействию. Вследствие более медленного остывания
между холодильниками будут появляться трещинки. Даже йри ме-
лом промежутке полезно в нем Прорезать тонкое усадочное ребро
(см. рис 259;.
Установку раздельных холодильников следует производить весьма
пцательно, чтобы избежать между ними заливов металла. Звлнвы мо-
гут создать механическое торможение усадки и вызвать горячую тре-
шину, как всякий залив в отливке (получаемый в разъемах формы,
у знаков стержней и тому -подобных сиестах три дефектах оборки
форм).
При прочих равных условиях, горячие трещины особенно сильно
поражают отливки, заливаемые в кокильные формы с песчаными
стержнями. Внутренние зоны таких отливок через определенный про-
межуток времени остывания претерпевают значительно меньшую усад-
ку, чем наружные, охлаждаемые металлическими стенками формы
(см кривые 1 и 2, рис 183). Под влиянием более интенсивно протека-
ющей усадки наружные зоны сжимают внутренние. Из-за сопротивле-
ния стержня появляются растягивающие и срезывающие усилия веду-
щие к образованию горячих трещин. Все рассмотренные мероприятия
по борьбе с горячими трещинами должны особенно тщательно и полно
применяться в кокильном стальном литье.
ГЛАВА XI
ЛИТЕЙНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ
И МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМИ
В период и сразу после затвердевания в остывающей отливке в кри-
тическом интервале возможно образование горячих трещин. По-
сле прохождения этого интервала, при дальнейшем остывании, в каж-
дой отливке, даже самой простой формы, возникают литейные внутрен-
ние напряжения. Неизбежность их образования определяет-
ся тем, что в каждой отливке развиваются процессы усадки н име-
ются температурные градиенты в различных частях.
Возникающие напряжения могут достигнуть различной величины.
Если они превысят предет текучести металла, в отливке получится
пластическая деформация, искажение размеров. Если они пре-
высят предел прочности, в отливке получится трещина. В лучшем
случае внутренние напряжения будут остаточными. Если отливку
не подвергнуть процессу снятия напряжений, то остаточные напряжения
могут понизить ее конструктивную прочность Это про-
изойдет во всех тех случаях, когда действующие динамические или пе-
ременные нагрузки будут сочетаться с неблагоприятным распределе-
нием остаточных напряжений. Кроме того, при механической обработке
отливок, имеющих остаточные напряжения, может произойти изменение
получаемых чертежных размеров (коробление, «поводка» отливок).
Значение остаточных напряжений и мер борьбы с ними в задаче
получения здоровых изделий весьма велико. Впервые в мировой лите-
ратуре это значение к механизм образования напряжений описал
в 1867 и 1887 гг. известный русский металлург Н. В. Калакуцкий [91] •
Остаточные напряжения в отливках могут быть трех видов: зо-
нальные (макроскопические) или напряжения 1 рода, уравновеши-
вающиеся в объеме всей отливки; микроскопические, или неп-
ряжения 11 рода, уравновешивающиеся в объеме отдельных кристалли-
тов; су б м и к ро с к о п и ч еск и е, или напряжения 111 рода, уравно-
вешивающиеся в одной или нескольких элементарных криста тлическнх
решетках (см. И А. Одинг [192])
В зависимости от условий возникновения внутренних напряжений
в отливках (литейных напряжений) их следует разделить на:
1) термические, вызываемые неравномерным и разновремен-
ным протеканием усадки в различных частях отливки (термическим
торможением усадки);
2) фазовые, вызываемые разновременным протеканием фазовых
превращений по сечению и в различных частях отливки;
3) усадочные, вызываемые механическим торможением усадки.
Литейные напряжения в отливках являются внутренними,
т. е. действуют независимо От приложения каких-либо внешних сил.
Представление о системе в состоянии внутренних напряжений дает
схема рис. 199.
1 Си. также Артнллернйсхкй журнал, 1867, № 5, 7, 9 и 10.
Литейные напряжения в стальных отливках
?П
Рис. 199. а — пружины 1 и Г длиной и пру-
жина // длиной Is в свободном, ненапряжен-
ном состоянии, б — пружины, связанные в
единую напряженную систему
Пружины 7, I' и II имеют в ненапряженном состоянии длины
7t н /в, причем /2 > 71. Если укрепить эти пружины двумя поперечинами
QQ таким, образом, что пружины 7 и Г будут упруго растянуты, а Я
сжата, то средняя длина системы будет 7, причем
Пружины 7 и I' будут упруго растянуты, т. е. находиться под влия-
нием растягивающих напряжений и, соответственно, сжимающих
реактивных сил. Пружина
II будет упруго сжата. В
ней будут действовать
сжимающие напряже-
ния и растягивающие ре-
активные силы. Если уда-
лить пружины I и Г, то
длина между поперечинами
станет /2 > 7 — система рас-
тянется. Если удалить пру-
жину II, то под влиянием
реактивных сжимающих сил
(растягивающих напряже-
ний) пружин I и I', система
сократится.
Изменение размеров системы происходит только под влиянием
внутренних напряжений, без воздействия внешних
сил. Прн равенсгее внутренних растягивающих (положительных)
и сжимающих (отрицательных) напряжений система находится в напря-
женном состоянии. Уравнение равновесия сил и моментов в общем виде
дает
Еа
AF - х—О,
и для рассматриваемого случая
ЕР=Р, + Р/ — Р„ =0.
Рве. 200. В системе из двух евя-
ааяиых брусков I к II брусокЛ иод-
пергне-кея нагреву ко Са.
более высокой, чем ti бруска /
Аналогичное напряженное состояние получается в изделии при его
неравномерном нагреве или охлаждении. Два бруска
из одного «материала I и II прочно
соединены в одну систему (цельное
изделие) и имеют одинаковую дли-
ну h при одинаковой температу-
ре ti, рис. 200.
Если нагреть брусок II но тем-
пературы ts более высокой, чем tlf
яри которой остался брусок I, то
длина бруска II должна была бы
получиться
где а. — коэфициент линейного рас-
ширения в интервале температур
Но так как бруски II и I связаны в единую, не теряющую своей
прямолинейности систему, то брусок I не дает бруску И получить дли-
ну Z2. Прямолинейная система нз двух брусков получает некоторую
среднюю длину 7ff причем /2>/г Брусок I окажется упруго рас-
тянутым на величину (!с—/|’), а брусок II упруго сжатым на (72 ZJ-
Брусок 7 окажется под влиянием растягивающих, а брусок II
сжимающих тер«мических напряжений.
318
Литейные Свойства и вторичная Кристал чмщйя стали
Соответствующие силы Pt и Р2, действующие в этих брусках сече-
нием fi и t2, будут
= Л;
р.=
где ci — положительное растягивающее напряжение бруска /
°з — отрицательное сжимающее напряжение бруска II.
В состоянии равновесия LP — О
°1 ' fi Зг ‘ А = 0- (42)
Предполагая, что деформации (1С — h) и (12 — 1С) только упругие,
т, е, напряжения сл и os не превышают значений предела упругости
для данного металла, можно определить на основе закона Гука
При подстановке этих значений л и « в уравнение равновесия
(42) и после соответствующих преобразований определится
«•('»-« (О)
Л+Л
= (44)
Л+/2
Из уравнений (43) н (44) следует, что растягивающие и сжимаю-
щие термические напряжении а, и ^пропорциональны:
1) модулю упругости металла Е;
2) коэфнциенту линейного расширения металла а;
3) разнице температур, в соответствующих частях изделия
Кроме того, величина напряжений не зависит от
длины издеяия I. Значит, лри одинаковом температурном градиен-
те возникают одинаковые напряжения в длинных и в коротких изделиях
из данного металла.
Из уравнений 43 и 44 также следует, что
т. е. отношение растягивающих напряжений к сжимающим обратно
пропорционально размеру тех сечений, в которых они развиваются.
Положение, что внутренние напряжения не зависят от длины изде-
лия и обратно пропорциональны соответствующим сечениям, имеет
большое практическое значение.
Если внутренние напряжения меньше предела прочности, но боль-
ше предела текучести, то в отливке получаются пластические дефор-
мации. Такое деформирование обусловлено тем, что растягивающие
и сжимающие напряжения образуют изгибающий момент. По-
добные напряжения, вызывающие деформирование или разрушение от-
ливок, возникают при их остывании в форме и при нагреве илн охлаж-
дении в процессах термической обработки.
* Значения иЬдуля упругости Ё прихяти одинаковыми для деформации сжатия
и растяжения-
Литейные напряжения й стальных атлШпаХ
319
А. ТЕОРИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ
Литейные напряжения представляют сложный комплекс различных
видов внутренних напряжений, возникающих в отливках и оказываю-
щих различное влияние на качество изделий.
1. Остаточные напряжения в отливках
Нужно отличать возникающие в отливках временные напряжения
от остаточных. Изгибающий момент, возникающий из-за растягиваю-
щих и сжимающих напряжений, может деформировать отливку. Это
вызовет уменьшение напряжений. Остаточные напряжения полу-
чатся меньше временных.
Для объяснения этого влияния напряжений Гейн предложил [41]
рассмотреть брусок толщиною d, шириной b и длиною /0, имеющий раз-
личные температуры t| и ti на своих поверхностях / и //, причем
*s>ti (Рис. 201).
Распределение температур по сечению бруска идет по некоторой
кривой АВ. В схеме рис. 201 каждому расстоянию х от поверхности /
соответствует определенная разница температур f=A,—ti (отре-
зок G/Z).
Кривая АВ характеризует любую функцию t=f(x), так как при
х = 0 и f = 0, поскольку tr—ti. При x = d максимальная разница
температур. t — t2 — tj (отрезок СА).
Бесконечно малый элемент толщиной dx и сечением b dx с риз-
ницей температур, определяемой кривой АВ в t = tr— f|. должен
расшириться на величину /0 - а - t. Но так как рассматриваемый эле-
мент связан с другими по толщине бруска в единую систему, то он по-
лучает какое-то среднее расширение _ Благодаря этому, в элементе
dx разовьется напряжение Я? пропорциональное упругой деформации
(Xf — I п • а - t),
а —
4
1 Кгк и -в случае рнс. 200, предполагается отсутствие изгиба (искривления)
системы.
320
Литейные свойства ц вторичная кристаллизация стали
•<\ = Е • ---------Е - а -1. (46)
1»
В сечения b dx возникнет сила Pt-=b-dx В условиях
равновесия «'отсутствия изгиба и пластических деформаций бруска
I 'О,
или
b J ах • dx = 0.
о
При подстановке значения ед. из уравнения (46) получится
F- • dx^O,
о
и так как t = f(x}, то
~ Jdx— а • У/(х)<?х=0,
в ° 0
Интеграл J f (х) - dx обозначает площадь ЛВС —F (рис. 201).
Тогда
i . d—« F=0,
l0
—. (47)
Подставляя это значение Хе в уравнение (46) можно определить
напряжение
о,== — Е - а • (48)
Полученное уравнение определяет продольные, осевые напряже-
ния. Кроме них возникают также поперечные, радиальные и тан-
генциальные напряжения.
Из уравнения (48) можно установить.
1) Наоряжения пропорциональны модулю упругости и коэфициеяту
линейного расширения металла.
2) Осевые напряжения в данном сечении будут растягивающими
(положительными), если разница температур t < Оки будут сжимаю-
щими, если f>—.
При известном виде кривой распределения температур по сечению
изделия, площадь F определяется расчетом или планиметрированием.
Литейные напряжения а стальных отливках
321
Зная F, можно построить прямоугольник CEBD, имеющий высоту d
и ширину CE=GFt—BD=-^ . Для каждого данного сечения вели-
чина (t—-у) будет определяться по отстоянию кривой АВ от вертика-
ли DE (например, для сечения х величина соответствует отрез-
ку FtH).
3) Осевые напряжения обращаются в нуль при [i — О—точка J
на рис. 201. Все волокна, лежащие выше нейтрального, проходящего
через точку/, будут иметь сжимающие напряжения |(t— £)>oj-Bo всех
частях бруска ниже точки J будут господствовать растягивающие на-
пряжения. Максимальные сжимающие напряжения будут на поверх-
ности II (отрезок ЕА), а максимальные растягивающие напряжения на
поверхности I (отрезок BD\
4) Под влиянием возникающих напряжений, сжимающих растя-
гивающих, брусок может изогнуться (отливку «ведет>). Сторона
бруска с более высокой температурой стремится расшириться (сжима-
ющие напряжения). Сторона с визкой температурой стремится сокра-
титься (растягивающие напряжения). Величина возникающих напряже-
ний зависит от вида кривой АВ, т. е. от разницы и распределения тем-
ператур по сечению отливки.
Если брусок изогнется, напряжения уменьшатся. В практике этим
часто пользуются, предоставляя отливке свободную де-
формацию (ранняя выбивка из опоки, свободная посадка без креп-
ления в печь для термической обработки и т. п.). Однако известно, что
во многих случаях, несмотря на предоставление возможности к дефор-
мации, отливка не изгибается и напряжения в ней не уменьшаются.
Рис. 202. а—распределение температур я напряжена!) в отливке при разных темпе-
ратурах ее наружных поверхностей н максимальной температуре в срединной эоне;
б — при одинаковых температурах ве наружных поверхностей и максимально!
температуре в центре сечения: в — распределение изгибаюшях напряжений
по сечению отливки
Для объяснения таких противоречивых случаев практики необхо-
димо рассмотреть кривую распределения температур АНВ по сечению
отливки при ее охлаждении, рис. 202.
В данный момент охлаждения температуру ti и на наружных по-
верхностях I к II будут различны, причем h>t\. Максимальная же
температура будет всегда в срединной зоне отливки
21 3*Х. 79. Ю. А. Вехецдав
322
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Прямоугольник BCED с площадью F, равновеликой покрываемой
кривой АНВ, имеет высоту d н ширину . Выше точки J действуют
только сжимающие, а ниже только растягивающие напряжения. Па
расстоянии х от поверхности I действует напряжение зг, определяемое
отрезком FtH и соответствующие силы Pt — b dx
Момент этой силы относительно точки В будет
Л1х — рх - Х=Ь dx-ax- Л,
и общий момент изгиба всего бруска (положительный при -направлении
по часовой стрелке)
а
/И — Е/Их= b Jx - ах • dx. (4Ч[
о
Обозначая площадь EAHJ с господствующими сжимающими на-
пряжениями через Fc и площадь JDB с растягивающими напряжения-
ми через Ff, можно получить из уравнений (48) и (49)
лт=4 rp-xpi (so)
где хг и х р — расстояние центров тяжести площадей F, ц от
поверхности /-
Момент изгиба М, при моменте сопротивления W данного сечения
бруска, будет вызывать максимальные напряжения на наружных по
верхностях (в крайних волокнах)
При одинаково интенсивном охлаждении сечения отливки по дв\м
ее наружным поверхностям распределение температур может принять
вполне симметричный вид кривой ARQUB (рис. 202,6).
Максимальная температура £и будет точно в центре сечения, а по
граням одинаковая температура t|==#2. Площадь F, покрываемая кри-
вой AQB, легко определяется. Построив равновеликий прямоуголь-
ник ABDE с высотой d и шириной —j, можно установить величину
и зоны сжимающих и растягивающих напряжений, рнс 202,6.
При симметричном виде кривой AQB площади AER и BUD равны
между собой, составляя половину площади RQU. Следовательно,
F, • X, - 1Г • xf = BCD а + AER - (d — n) — RQU -- =
= AER-d—RQU-~.
Так как AER — ~^, TO
Ft-x,~rp-xp-AER-d RQU-—-—0
и изгибающий момент равен нулю.
Таким образом, при равномерном охлаждении сечений отливки
с двух сторон и соответственно вполне симметричном виде кривой рас-
пределения температур изгиба отлиаки не произойдет. Напряжения,
сжимающие и растягивающие, будут максимальны и равны возникшим,
не претерпевший никакого уменьшения.
Литейные напряжения о стальных отливках
аа
Напряжения прн упругом изгибе в остальных частях бруска будут
пропорциональны расстояниям от нейтрального волокна проходящего
через точку J и распределятся по схеме рис. 202, в.
Величина этих напряжений в любом сечении на расстоянии X
определяется из отношения
. d \ d
г ) 2 ;
.Ь±Л^_,].
Таким образом, в каждом элементе бруска действуют напряжения:
осевые растягивающие или. сжимающие (±3,) и изги-
бающие (±0/).
В результате совместного действия этих напряжений может прои-
зойти изгиб отливки. Реальное же значение для последующей службы
изделия имеет величина остающихся после изгиба напряжений
— в/. (51)
Во избежание появления остаточных напряжений в отливке, необ-
ходимо, чтобы в любом ее сечении (для всех значений х) возникаю-
щие осевые напряжения погашались изгибающими,
0; °Л = 3.Л
Как известно, изгибающие напряжения в/ могут изменяться по
сечению только по прямой линии. Поэтому исключительный случай
°л — был бы возможен только тогда, когда кривая распределения
температур по сечению отливки совпадала £ прямой линией KL. Во всех
остальных случаях, как это обьГчно бывает, термические на-
пряжения могут несколько уменьшаться изгибом
отливки, но не ликвидироваться полностью. Это умень-
шение будет тем более значительным, чем ближе положение кривой
распределения температур к прямей распределения моментов.
В другом крайнем случае распределение температур может быть
таким, что, несмотря яй налиОДе напряжений ал, изгибающий момент
М на/ обращается в нуль. Если даже предоставить такой отливке
возможность к деформации, к искривлению —- она не изогнется.
Напряжения в отливке достигнут максимальной величины рж = ах-
Для того, чтобы изгибающий момент обратился в нуль, необходи-
мо и достаточно, как следует нз уравнения (50), чтобы
О *.-F, А,=0; Г, x,=F„ ж,.
Это получится в случае одинаковой интенсивности охлаждения
граней отливки и совершенно симметричной кривой распределения тем-
ператур по ее сечению в соответствующие периоды охлаждения
(рис. 202,6).
Таково одно из объяснений встречающегося в практике факта,
когда предоставление отливке возможности к деформации не приводит
к уменьшению термических напряжений.
Очевидно, остывание отливки в кокильной форме или на воздухе
со стержнями приводит к распределению температур по схеме рис.
202, а. Остывание в песчаной форме со стержнями или со специальным
подстуживанием внутренних полостей отливки прн охлаждении после
нагрева приводит к симметричной кривой рис. 202.6.
21*
324
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Однако приведенные схемы относятся только к определенному
моменту охлаждения и к статическому состоянию системы. Они доста-
точны для представления о влиянии возникающих, временных напряже-
ний. но не вскрывают кинетики образования напряжений в отливке при
ее охлаждении илн нагреве. В этих процессах беспрерывно меняются
температурные градиенты в различных частях отливки, н кроме упру-
гих существуют пластические деформации.
2. Термические напряжения в отливках прн их охлаждении
В гл. I было установлено, что температура t0 любой части отлив-
ки, охлаждающейся с начальной температуры t„, может быть опреде-
лена за данный промежуток времени z из уравнения
4=4 ",
где к — коэфициент, характеризующий скорость охлаждения.
Вид этой температурной кривой охлаждения вполне идентичен кри-
вой усадки твердого металла. На стр. ПО указывалось, что свободная
линейная усадка ат отливки при ее полном остывании до t—С с тем-
пературы затвердевания 4 может быть определена, как
гт = а t*.
При этом а, коэфициент усадки, в виде первого приближения, прини-
мается не зависящим от температуры.
Аналогично, при температуре £tl , длина бруска, имеющего при
полном охлаждении конечную длину /=1, будет
4=1 -j-e • 4
и соответствующее укорочение, которое претерпит этот брусок при
охлаждении от t0 до t = 0, будет
Таким образом объясняется идентичность кривых изменения тем-
ператур и длины отливки прн ее охлаждении. В координатных осях
время — температура я время — усадка соответствующие кривые отли-
чаются только масштабом ординат;
4 ' е >
9й=а -10—а . 4 е~к г (52)
Схема, объясняющая на основе изложенных положений образова-
ние термических напряжений при охлаждении цельной ot-тчвки из двух
брусков, представлена на рис. 203 (тонкий брусок / быстро охлаждаю-
щийся и толстый /Д медленнее охлаждающийся, рис. 203, ваерху,
справа). Охлаждение брусков ведется с начальной высокой температу-
ры 4- Она рассматривается как температура заливки илн как темпера-
тура нагрева пра термической обработке.
Для упрощения принято, что металл не имеет фазовых превраще
ний. При достижении во время охлаждения критической температуры
4Р в металле возникают упругие деформации. При температурах, бо-
лее высоких, чем tHp, почти исчезает предел упругости и поэтому суще-
ствуют только пластические деформации (для углеродистой стали
и чугуна лежит в пределах 620—650°).
Литейные напряжения в стальных отливках
325
В схеме рис. 203 (вверху, слева) изображены идеализированные
кривые изменения температур и длин брусков I и // во времени. Линия
GG, соответствуя tKp. разделяет область пластических деформаций Р
Рис. 203. Процесс образования термических напряжений при охлаждения с высоких
температур отливки с различными толщинами стенок
от упругих Е. Аналогично, линия G'G' разделяет области Р и Е во
времени. Брусок /, быстро охлаждающийся, достигает области упругих
деформаций Е через промежуток времени z!, а брусок II— через z2.
В любой момент охлаждения z температура брусков / и II опреде-
ляется из уравнений кривых t, и tn
е
С увеличением времени z температура отливки f понижается со
скоростью, определяемой коэфициентом к. Для данных условий фор-
мы, к пропорционвлен температуропроводности металла (а) и обратно
пропорционален, в виде первого приближения, приведенной толщине
стенок отливки
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Тонкий брусок / имеет бблъшнй коэффициент скорости охлаждения,
чем толстый
Jfe, > fe2.
Однако скорость охлаждения бруска I будет больше, чем бруска
И, только до известного промежутка, рремени хгоя1, соответствующего
максимальной разнице температур (tn — ti )- При полном охлаждении,
температуры в брусках I и // выравниваются, I/ =ttl =0. Поэтому
скорость охлаждения бруска II, имеющего более высокую температуру
в момент Zmrx . станет через промежуток времени z > z*» уже боль-
шей, чем бруска /.
Таким образом, скорости охлаждения различных частей отливки,
прн охлаждении с одинаковой начальной температуры 4 до конечной
/=0, будут изменяться.
I) к первый нериед, до момента соответствующего макси-
мальной разнице температур (tu— tj ), скорость охлаждения тонкой
dt, dt„
части больше, чем толстой, т. е. -а~ ' ;
2) во второй период, в момент Zc„, скорости охлаждения одина-
dt, dt{.
ковы, те
3) в третий период, «а моментом zm«, скорость охлаждения
dt, atn
толстой части больше, чем тонкой, т. е. •
Разность температур между тонкой и толстой частью отливки
в начальный н конечный момент охлаждения равна нулю, a te любой
момент z составляет
t„ — t, = t„ (e~ е~*' ')• (53)
доствгая максимума в момент охлаждения гпп.
Совершенно идентичны кривым tr и tn будут кривые «/ и «и»
представляющие изменение длин и свободной усадки тонкой и толстой
части отливки конечной длины I — ! (брусков I в II) (см. рис. 203.
внизу, слева)
«/=« - 4-е-*1'';
В любой момент охлаждения разность свободных усадок брусков
I и II будет
«II - е, = а 4 - (р '' е~* ’). (54)
Однако в действительности усадка и длины брусков / и II не могут
изменяться свободно и независимо в каждом бруске в отдельности.
Бруски I и II связаны в единую систему в отливке. Ее усадка, а сле-
довательно и частей отливки I и II, проходит не по кривым свободной
усадки 2/ и е7/, а по некоторой средней кривой ct, са, с3, проходя-
щей между г1 и ец - Из-за этого, в зависимости от температуры,
в частях отливки / и II образуются либо пластические, либо
упругие деформации.
Знак этих деформаций определяется скоростью
охлаждения различных частей отливки. Та часть отлив-
ки, которая за данный промежуток времени больше понизила свою тем-
пературу, т. е. имеет большую скорость охлаждении, стремится полу-
чить ббльшее укорочение. Часть отливки с меньшей скоростью охлаж-
дения препятствует этому укорочению.
Литейные напряжения в стальных отливках 327
В медленно охлаждающейся части получится деформация сжатия,
в быстро охлаждающейся — деформация растяжения. Если в данным
момент охлаждения отливкя находится еще при темперетурах области
пластических деформаций Р, то никаких напряже-
ний не образуется. Если же эти деформации происходят при
сравнительно низких температурах в области упругих деформации
о, то в отливке возникают напряжения.
Таким образом, можно уже заранее предопределить, что в период
охлаждения, когда скорость охлаждения тонкой части больше толстой,
в ней разовьются деформации растяжения, а в толстой — сжатия. Прн
дальнейшем охлаждении знак деформации переменится в толстой
появятся деформации растяжения в тонкой — сжатия.
Так как этот период обычно совпадает с развитием уже упругих
деформаций, то можно теоретически предсказать, что в толстых
частях отливки всегда будут господствовать рас-
тягивающие напряжения. В тонких же, быстро
охлаждающихся частях всегда будут сжимающие
напряжения. Этот важнейший для практики вывод получаепся
из схем рис. 203.
В первый период охлаждения, в течение времени 2Ь тонкая и тол-
стая части отливки (бруски / и //) находятся только в области пласти-
ческих деформаций. Брусок I уже достиг /кр перехода в область F
Изменение длины отливки шло по линии с0С| при постепенном уве-
личении пластических деформаций: растяжения в бруске / и сжатия
во If. В момент z( брусок / пластически растянут на величину Ь] <j.
Брусок II пластически сжат на щс,. В отливке еще нет напряжений»
Во второй период охчаждения (от zt до z2) брусок / \ же нахо-
дится в области упругих деформаций, а брусок II еще в области пла-
стических. Очевидно, что в этом периоде усадку всей отливки (системы
из двух брусков) будет определят^ усадка более трудно деформируе-
мого бруска I. Кривая усадки отливки в участке c(c2 пойдет парал-
лельно соответствующему участку конвой а,. Брусок / уже не получит
новых деформаций (b»Cf — biCi). Брусок II получит дополнительные пла-
стические деформации» сжимающие или растягивающие, в зависимости
от положения момента Zn,« относительно z2.’
Если 2msit наступает -позднее zs (лежит правее), то брусок II будет,
как и в первом периоде, получать пластические деформации сжатия.
Если z™, наступает раньше z, Улежит левее), то брусок II будет .уже
пластически растягиваться. Полученные им в первом периоде деформа-
ции сжатия будут уменьшаться.
Вне зависимости от знака деформаций бруска II, в момент z?1
когда толстая часть только переходит в область упругих деформаций,
в отливке никаких напряжений еще не будет1. В этот момент конца
развития пластических деформаций бпмсок I будет' пластически пястя-
нут (деформация + Ь»сг), а брусок II пластически сжат (деформа-
ция — С2С2).
В третий период охлаждения (от z2 до 2 = ^) все части отливки
могут подвергаться только упругим деформациям. В момент z2 брчскн
/ н II имеют после пластических деформаций одинаковую длину drc2,
но различные температуры (Z — t, н II — tvp).
Если в этот момент бруски разъединить и предоставить им воз-
можность в дальнейшем самостоятельно охлаждаться, то изменение их
длин шло бы по кривым в/' и е» , параллельным £/ . Пласти-
чески растянутый на btcs брусок / получил бы проз полном охлаждении
1 Напряжения могут быть уолько между .отдельными волокнами бруска I,
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
длину не 1 = 1, а [/ + Ь1Са]. Пластически сжатый на а2Сз брусок Я по-
лучил бы длину [/ — OjCj-
Но в действительности бруски не разъединены, а связаны в еди-
ную систему. Изменение ее длины пойдет по некоторой кривой QCj,
лежащей между, cf и eJz. Бруски же / и // будут получать упругую
деформацию. Брусок / будет упруго сжиматься, брусок Л упруго рас-
тягиваться. По мере охлаждения деформации будут (растЪ и в момент
г = оо достигнут максимальной величины.
Как видно из построения рис. 203, брусок I получит упругую
деформацию сжатия Ь^с3, равную бывшей в нем пластической дефор-
мации растяжения bcj. Брусок II получит упругую деформацию растя-
жения а3Гз, ривную бывшей в нем пластической деформации сжатия
Таким образом, величина упругих деформаций отлив-
ки в момент полного ееохлаждения равна Поабсо.
,п ют и о й величине, но противоположна по знаку пла-
стическим деформациям, существовавшим в момент перехода
наиболее толстой части в область упругих деформаций
Общая величина упругих деформаций в отливке будет
е = п1са+61с,=:сес1 4~ Ь2 сг = а - Д, (е~*'*—г-* '')• (54а)
Для определения в отдельности величины деформации и напряже-
ний, возникших в брусках I и II, следует обратиться к уравнениям
(43), (44) и (53). Эти напряжения обратно пропорциональны сечениям,
в которых они развиваются, и прямо пропорциональны модулю упру-
гости Е, коэфициеиту линейного расширения а о соответствующей
разнице температур (t„ — ti ).
Разница температур определяется для момента z« из уравнения (53)
W - Ь" = ta
где tn=tKp-
Коэфициеит а, при строгом учете, должен быть взят в температур-
ном интервале от 0 до £яр, так что величина1 соответствующих дефор
мацнй будет
»о г Чп" -tf) =«# р - 4 . (f - '*_ * «’).
Тогда величина напряжений в бросках I в II будет определена
[уравнения (43) и (44)]
«. = Е ~rh 65)
ф (56)
Действительная величина напряжений будет меньше этих значе-
ний О) и о,, так как -переход из области пластических в область упру-
гих деформаций совершается не резко и внезапно прн tкр,
а постепенно. Вблизи температуры t„p практически сосуще-
ствуют пластические и упругие деформации. Вообще онн сосуще-
ствуют и при более низких температурах, что особенно характерно для
графитистой стали и чугуна. В связи с этим появились предложения
считать tkp для чугуна 400° вместо 620°. Н. Г. Гнршович [08] пред-
ложил ввести в формулы для определения напряжений коэфициеит
5< 1, учитывающий влияние пластических деформаций, что более пра-
Лнтеймые напряжения в стальных отливках
829
вильни. Кроме того, действительные напряжения будут меньше расчет-
ных по формулам (55) и (56) вследствие теплопроводности металла,
выравнивающей в известной мере разность температур между бруска-
ми II и /.
Из уравнения (541 можно определить также момент Zm„. соответ-
ствующий максимальной разнице температур, максимальным деформа-
циям и перемене их знака:
^п = -г^-г Щ у-. (57)
fej—Кг
Если /.^совпадает с Zj, как принято в схеме рис. 203, то дефор-
мации вц"—ч" ~азЬя будут максимальны и, следовательно, напря-
жения и, и «2 достигнут своих наибольших значений.
Если zm,x не совпадает с Zi, то это означает, что к моменту на-
чала возникновения упругих деформаций пластические деформации си-
стемы не имеют своей максимально-возможной величины. Если zm„
наступает раньше zs, то максимальная пластическая деформация в мо-
мент Zbux уменьшится к моменту z8 (см рис. 203). Если же ion на-
ступит позже z2, то конечные напряжения все равно будут меньше
максимально возможных. Это объясняется, как следует из изложен-
ного выше, тем, что конечные 'напряжения определяются упругими
деформациями в полностью охлажденной отливке. Величина же этих
упругих деформаций во всех случаях равна только тем пластическим,
которые были в системе в момент zs (рис. 203 н Стр. 328).
Величина гш„ зависит от с о о т н о ш е н и я М и &2, т. е факти-
чески от соотношения скоростей охлаждения тонкой
и толстой части отливки. В конечном счете только sто со-
отношение для мета тла и формы с одинаковыми физяко-химиче-
скими свойствами определит собою величину получаю-
щихся вотлквке термических напряжений.
Для практического применения формул (55) и (56) эта возмож-
А,
кость пользоваться безразмерным отношением вместо трудно опре-
делимых величин ki и /с2 по отдельности имеет большое значенне.
Для того чтобы в формулах (55) и (56) использовать отношение
необходимо, как предтожил Н Г. Гиршович [38]. определить ана-
логично zm„ по формуле (57) время zfi из формулы
и подставить его в формулы (55) и (55). Получится
^=+л’'7Д7, ']
Если еще учесть сосуществование пластических и упругих дефор-
маций (коэфициент S < 1) и уменьшение напряжений из-за теплопро-
водности (коэфициент S| < 1), то формула для определения напряжений
по отношению —' ц вне зависимости от времени примет вид
+ [1- •]. (57>)
330 Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
При этом, в виде первого приближения, можно принять, что отно-
шение — обратно пропорционально приведенным толщинам толстой
и тонкой части отливки
fci _ Rt
ht Rt '
Для иллюстрации расчета напряжений в отливке, например, брусков
(рис. 215, верх), по приведенной, формуле, - можно принять:
ft =50X15 = 750 мм-; R,=----—----«7 мм;
1 1 504-50 + 15
А = 100 X 40 = 4000 ММ9; R.^-----—-------~15 мм;
’ 8 40440 + 100 + 85
Л—= ЛлО
*г #1 1
а 1**15 • 10-', Е-20000 кг^ми'; S=Gfi; S, - 0,6; /ж=1500’С.
' 20000 - 4000-15-10-е-620 - 0,8 - 0,7 Г, / 620 \2-П „
п! =----------—----------—--—. 1 — I--1 = — 45 кг мм-;
4000 + 750 [ I 1500 / J
3f=e, .Zl=45 . _™L~8,5 кг!мм*.
h 4000
Рассмотренный процесс образования напряжений в отливке с раз-
личной толщиной стенок можно распространить и на отливки с одинако-
вой толщиной. Во внутренних зонах их сечений, так же,
как и во всякой более медленно охлаждающейся части отливки, неиз-
бежно возникают растягивающие напряжения.
Расмотренная выше неизбежность возникновения растягивающих
напряжений во внутренних зонах отливки при выравнивании темпера-
тур была полностью сформулирована еще Н. В Калакуцким
«...всякий вновь застмавющий слой пристает к слою несколько охладившемуся,
в от того между ними после окончательного их охлаждения до одной общей темпе-
ратуры. являются внутренние натяжение, в силу которых внутренние слон болванки
будут растянуты действием наружных слоев».
При рассмотрении процесса предполагалось, что отливка ire под-
вергается никаким деформациям из-за изгибающего момента, умень-
шающего возникающие напряжения. Кроме того, рассматривались
только осевые напряжения, в то время как в действительности напря-
жения имеют не линейный, а объемный характер. Каждый элемент
сечения подвергается не только осевым (зо ), но и радиальным (ср)
и тангенциальным (зт ) напряжениям во = яр4аг.
„ Из рассмотренного механизма образования термических напряже-
ний I рода следует, что они зависят как от свойств металла,
так и от с в о й с т в формы при остывании отливки.
1) Влияние физико-химических свойств металла на образование тер-
мических напряжений при остывании отливок. 1. Влияние модуля
упругости Е весьма существенно, так как с его увеличением прямо
пропорционально увеличиваются напряжения. Модуль упругости стали
принимается обычно £^21 000 кг'мм2. т. е. в 2—4 раза больше, чем
v серого чугуна. Это является одной из основных причин больших
напряжений в стальных отливках по сравнению с чугу иными.
Модуль упругости уменьшается при повышении температуры, что
также является одной из причин возрастания напряжений к концу осты-
вания отливки. Известно также, что модуль упругости стали -может все
Н. R. Калакуцкий. Материал^ аля изучения стальных орудий. Артилле-
рийский журнал, 1867, N- 5, 793.
Литейные напряжения в стальных отливках
33!
же составлять при 650° около 8500 кг'мм? (случай сосуществования
упругих и пластических деформаций при 650е).
При повышении содержания углерода в стали величина Е изме-
няется сравнительно мало (например, от 19600 до 20656 кг'мм'1 при
повышении С от 0,18 до 0,77%). Аналогично, в легированной стали
величина Е немного выше, чем в углеродистой.
2. Влияние коэфициента линейного расширения а
должно рассматриваться дли значений а только в температурном
интервале от t = 0 до tKf, и также весьма существенно. Из-за боль-
шего коэфициента а возникающие напряжения в отливках из аустенит-
ной стали, при прочих равных условиях, будут в полтора раза больше,
чем из ферритной (см. стр. Ill, рис 56).
3. Влияние теплопроводности металла является
обычно решающим фактором, увеличивающим напряжения в отливках
из легированной стали, обладающей, как правило, более низкой тепло-
проводностью, чем углеродистая. При прочих равных условиях металл
с меньшей теплопроводностью будет давать ббльшую разницу темпе-
ратур в отливке в момент zs.
4. Влияние температуры заливки может оказаться,
в некоторых случаях ее повышения, положительным. Соответствующее
влияние будет определяться тем температурным градиентом, который
получится по сечениям отлнвки в процессе ее остывания. Если отливка
остывает в форме, а не на воздухе, то при бблыпем нагреве стенок
формы возможно некоторое замедление скорости охлаждения и из-
вестное выравнивание температур к моменту z2. Следовательно, воз-
можно соответствующее уменьшение возникающих напряжений.
Прн охлаждении же на воздухе или при более высоком нагреве
стенок формы вокруг толстых частей отливки повышение температуры
заливки увеличит напряжения
2) Влияние формы на образование термических, напряжений при
остывании отливок. 1. Влияние конструкции отлнвки
является обычно, для данного "металла, главным фактором, определяю-
щим величину напряжений, зависящих от формы. Влияние конструкции
заключается в той скорости охлаждения и температурных градиентах,
которые получаются в различных частях и по сечению отливки прн ее
остывании. Нужно добиваться, чтобы k\—kz. Тогда а<2=0 [см. фор-
мулу (57а) и др^-
При прочих равных условиях, чем больше приведеянач
толщина стенок отливки и чем больше разница
в толщинах отдельных ее частей, тем больше напря-
жения. П о это м у равномерная толщина стенок от-
ливки является основным требованием к ее кон-
струкции для минимальных напряжений.
Что же касается толщины стенок, то из некоторых марок стачп
с низкой теплопроводностью и низкой прочностью вообще нельзя полу
чить отливку без холодных трещин, если только эта толщина сравни-
тельно велика. Например, для отливок из кислотоупорной кремнистой
высоколегированной стали (12—15% Si) предельно допустимая толщина
сгенск отливки состав тяет всего около 40 мм без принятия особых
и специальных мер
2. Влияние материала формы и способа е₽ заливки
настолько существенно, что может часто компенсировать дефекты
конструкции отливки илн, наоборот, вызвать напряжения в отливке да-
же благоприятной конструкции.
Заливка в кокильные формы, улучшая условия первичной кристал-
лизации стали, вызывает, однако, большие напряжения, чем затпвка
832 Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
в песчаные формы. Аналогично, ранняя выбивка отливок, предохраняя
от образования горячих трещин, вызывает большие термические напря-
жения.
Достижение равиомерного и медленного охлажде-
ния отлнвки в температурном интервале перехода
в область упругих деформаций является основным
мероприятием и основной задачей для успешной
борьбы с напряжениями. Сочетание этого мероприятия1 с необ-
ходимостью быстрого'затвердевания и, часто, быстрого остывания от-
ливки в критическом интервале образования горячих трещин — являет-
ся серьезной производственной задачей. Соответствующие способы:
подогрев форм или даже только успевших затвердеть отливок, искус-
ственное форсирование охлаждения массивных частей отливки после их
затвердевания, специальное замедление остывания отливки н тому по-
добные меры — рассматриваются ниже.
Заливку формы, подвод металла и установку прибылей следует
проводить так, чтобы добиться равномерного остывания отливки. Соот-
ветствующие мероприятия вполне аналогичны рассмотренным выше для
борьбы с горячими трещинами.
3. Фазовые напряжения в отливках прн их охлаждении
Рассмотренные выше условия образования термических напряже-
ний не затрагивали вопросов образования фазовых напряжений, играю-
щих большую роль в величине литейных напряжений. Фазовые напря-
жения получаются из-за того, что продукты фазовых превращений
имеют различные удельные объемы (мартенсит — наибольший,
стр. 112). Поэтому между различными частями отливки при фазовых
превращениях могут получаться упругие деформации и, соответственно
напряжения
Однако при медленном охлаждении отливки из углеродистой или
низколегированной стали превращения — а происходят при высоких
температурах, в области пластических деформаций. При этом никаких
напряжений непосредственно из-за превращений не получится.
При быстром же охлаждении отливки, когда температуры превра-
щений м"* я понижаются и они протекают в области упругих дефор-
маций, напряжения могут образоваться. Знак фазовых напряжений,
в зависимости от состава стали, конструкции отливки и условий ее
охлаждения, может совпадать или быть противоположным
знаку термических напряжений.
В наружных или тонких частях отлнвки, охлаждающихся быстрее,
фазовые превращении закончатся раньше, чем во внутренних или тол-
стых частях. При последующих превращениях эти части отливки будут
увеличивать свой объем. Получатся другие деформации- сжатия для
внутренней или толстой части отливки и растяжения для наружной
или тонкой части.
Следовательно в толстых частях отливки, в отличие от растя-
гивающих термических, будут образовываться сжимаю-
щие фазовые напряжения. Оии смогут, благодаря этому в извест-
ной мере уменьшать термические напряжения. Вместе с тем фазовые
напряжения могут быть настолько значительными, что перекроют тер-
мические. Тогда в тонких частях отливки будут господствовать уже
растягивающие напряжения вместо сжимающих. Факт’ образования хо-
лодных трещин в тонких, а не толстых, частях оттнвки является пря
мым указателем на превалирование фазовых напряжений нац термиче-
скими.
Литейные напряжения в стальных отливках
Может также случиться, в особенности в отливках яз малолегиро-
ванной стали, что наружные зоны, вследствие быстрого охлаждения,
получат строение, близкое к троосто-мартенситному. Внутренние же зо-
ны будут иметь более крупное, с .меньшим удельным объемом, перлит-
но-сорбитное строение.
Такое различие в строении, получаемое при несквозной закалке,
вызовет уже сжимающие фазовые напряжения в наружных
частях отливки и растягивающие во внутренних. В этом
случае фазовые напряжения будут одного знака с термическими и, сле-
довательно, увеличивать их. В срединных зонах или в толстых частях
отливки увеличится опасность образования холодных трещин.
Следовательно, при разновременном протекании фа-
зовых превращений по сечению получаются напря-
жения, обратные по знаку термическим. Прн получении
же различной структуры но сечению, с ббльшим
удельным объемом в наружных зонах, возникают на-
пряжения одного знака с термическими.
Излаженные соображения о механивме образования и влияния фазовых на-
пряжений иллюстрируются схемой рис. 204, основанной на прямом, жсперммеяталь-
том материале 1105].
Кривые I, Л и Л1 представляют изменения удельного объема или усадку
наружной и средней зоны, а также сердцевины стального цилиндра при охлажде-
нии нз области высоких температур. В рассматриваемый начальный момент оклаж
Ленин 2о еще не достигнут коксит гп,,х перелома я скорости охлаждении -паевой
и толстой части Тонкая часть охлаждается ботве быстро, чем толстая. Вследствие
этого, в jfCweHT zt во внутренней часта цилиндра господствуют сжяиюшие. а в
наружных зоиех растягивающие напрйжеиия (рис. 204, о).
В пзромежугок времени Zi—zj происходит превращение 7 —° (образов айве мар-
тенсита для рассматриваемой высоколегированной никелевой стали). Получается
увеличение объема, расширение варужной зоны. Образуются, следовательно, упру-
гие деформации между расширяющейся -наружно! зоной и продолжающе! умель-
щать свой объем внутреннеЛ воной Возникающие сжимающие напряжения в на-
ружных зонах к растягивающие во внутренних становятся вастолько значительными,
что знак (напряжений уже меняется и их .распределение по сечению превямает внд
рис. 204, б.
В промежуток вреыеям za—z< наружная эона и сврдцеэжа продолжают сокра-
щаться, в средняя зона Л претерпевает фазовое превращение и соответствующее
расширение- В результате увеличиваются растягивающие напряжения в сердцевине и
в наружной зоне и возникают сжимающие напряжения в средней воне // (рис. 204, в)
В момент Zs прекращается сокращение сердцевины, она также «ачяизет пре-
терпевать фазовое превращение и расширение по момента zj, Это вызывает в пооые-
334
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
жутке 'времени Zj~-za перемену знака напряжений, так что в сердцевине начинают
господствовать уже сжимающие, а в наружных и средник эонах — растягивающие
напряжения (рнс. 204,г).
Начиная с момента г5 фавовых превращений уже ив происходит Под влиянием
наступившего перелома в скорости охлаждения, сердцевина начинает быстрее охлаж-
даться, чем наружные зоны (см. угол наклона, т. е. тангенс писательной к кривым
III н И и / вл рис. 204). В цилиндре происходит только сокращение объема раз-
личных зон соответственно различному падению температуры в них. Возникают
обычные термические растягивающие напряжения в сердцевине и сжимающие в на-
ружной зоне. В конечном состоянии обратные ио знаку фазовые напряжения
рис. 204. г под влиянием этих термических напряжений уменьшаются (рис. 204, <Э).
В зависимости ог соотношения между термическими и фазовыми напряжениями
распределение остаточных напряжений по сечению в конечный момент охлаждении
может оказаться таким же, как и при обычных термических напряжениях. В сердце-
вине будут растягивающие. а н наружных зонах сжимаюиюе ншфяженжя (рнс- 204, е).
Основное влияние на соотношение между фазовыми и термиче-
скими напряжениями оказывают состав стали и скорости
охлаждения отливки. Особенно неблагоприятные условия по-
лучаются в отливках из стали, не обеспечивающей сквозной про-
каливаем ост и. В этих случаях в центральных зонах отливки
развиваются растягивающие фазовые напряжения, уве-
личивающие термические того же знака.
Практические наблюдения автора над сравнительно небольшими
кокильными отливками толщиной 40 мм из низколегированной стали
(С—0,4, Сг—0,8%) устанавливают, что в наружных тонких частях
их господствуют растягивающие напряжения. Это показывает, что
в данных отливках превалируют фазовые напряжения нз-за разно-
временности протекания процесса превращения 7 ~ а в различ-
ных частях отливки.
В массивных же кокильных отливках растягивающие напряжения
господствуют во внутренних и более медленно охлаждающихся частях.
Это указывает на доминирующий характер термических напряжений
и тех фазовых, -которые получаются вследствие различного строения
стали по сечению.
К фазовым напряжениям следует также отнести те напряжения,
которые получаются вследствие неодновременного протекания про-
цесса графитизации в различных частях отливки. Эти напря-
жения играют известную роль в чугунных отливках, ио весьма малую
даже в отливках нз графитистой стали. Графитизация, более полно
развивающаяся в толстых частях отливки, чем в тонких, может ча-
стично протекать и в области упругих деформаций. При этом в толстой
части, из-за увеличения объема, разовьются сжимающие, а в тонкой
растягивающие напряжения.
Таким образом, фазовые напряжения из-за разновременного илн
частичного протекания графитизации при низких температурах
могут уменьшать термические напряжения.
4. Усадочные напряжения в отливках при их охлаждении
Усадочные напряжения получаются вследствие
механического торможения послеперлитной усадки.
Очевидно, что это торможение может образовать напряжения только
в том случае, если оно вызывает упругие деформации в отливке.
Всякое механическое торможение послепераитной усадки должно
было иметь место и для доперлитной усадки, в области более высоких
температур. Поэтому в песчаных формах усадочные напряжения обыч-
но не достигают большой величины.
По природе своего влияния механическое торможение послепер-
литной усадки может вызвать в отливке только деформации
растяжения или среза. Следовательно, независимо от скорости
Литейные напряжения в стальных отливках
335
охлаждения гонких и толстых частей отливки, в них возникают только
растягивающие напряжения. Так как соответствующие деформации
являются упругими, то, при прекращении механического тормо-
жения, усадочные напряжения должны исчезнуть.
При остывании отлнвки источником образования усадочных напря-
жений может явиться сопротивление усадке со стороны формы между
выступающими частями отлнвки, со стороны стержней или литниковоч
системы. В кокильных формах это сопротивление может оказаться
особенно большим. При охлаждении в процессе термической обработки
усадочные напряжения могут появиться, если отливку намертво
закрепляют в печи или в специальной приспособлении для предотвра
щения коробления. Прн выбивке отливки из формы,
удалении стержней или литниковой системы уса
дочные напряжения исчезают.
В процессе же своего возникновения и воздействия усадочные
1апряження увеличивают растягивающие напряжения в толстой части
отливки и уменьшают сжимающие в тонкой. Поэтому вредное влияние
усадочных напряжений может проявиться при остывании отливки,
способствуя образованию холодной трещины в толстой части.
Усадочные напряжения могут перейти в остаточные, если они
возникли из-за особенностей конструкции отливки. Если тонкая
часть отливки при остывании достигла области упругих деформаций
и встретила сопротивление усадке, то в ней возникнут растягивающие
напряжения. Толстая часть может еще находиться в области пластине
ских деформаций. При дальнейшем остывании -в тонкой части разовьют-
ся дополнительные усадочные напряжения, в толстой только начнут
появляться. При выбивке отливки эти напряжения должны были бы
исчезнуть.
Однако упругая деформация растяжения, которая образовалась
в тонкой части, пока толстая находилась еще в области пластических
деформаций, останется. В результате в остывшей и выбитой отливке
тонкая часть будет стремиться сократиться. В ней возникнут растяги-
вающие, а в толстой части сжимающие напряжения.
5. Микроскопические и субмнкроскопическне напряжения
В связи с очевидными трудностями экспериментирования, напряже-
ния II и И! рода исследованы значительно меньше, чем макроскопиче-
ские [93]. Вместе с тем они имеют сравнительно большое значение.
Возникающие напряжения II к, III рода дают начало местным
небольшим пластическим деформациям и местным трещинам (в том
•теле и флокенам). Они оказывают зародышевое влияние при фазо-
вых превращениях и дисперсионном твердении. Они вредно влияют на
механические свойства, особенно сопротивление усталости, на межкри-
сталлитную коррозионную стойкость и другие свойства даже в тех
случаях, когда сняты зональные напряжения.
Механизм образования микроскопических на-
пряжений по существу не отличается от терми-
ческих, фазовых и усадочных макроскопнческнх
напряжений
Термические микроскопические напряжения
получаются вследствие местной неравномерности распределения темпе-
ратур. Она обусловлена различной теплопроводностью различных
элементов структуры, отдельных участков неоднородного состава нз-зя
ликвации, различных газовых н неметаллических включений. Условия
возникновения и распределение таких напряжений чрезвычайно слож-
ны. Некоторые местные участки обладают не только различными ско-
336
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
ростами охлаждения и температурами, но и различными значениями коэ-
фициента линейного расширения и модуля упругости. Известно, напри-
мер, что значение Е, принимаемое в среднем для стали в 21 000 кг мм*,
колеблется в разных направлениях кристалла железа от 13 450 до
28850 кг/жж3.
Фазодые микроскопические напряжения образу-
ются особенно легко н достигают больших значений, вызывающих
трещины и флокены в участках кристаллической ликвации и местных
образований мартенсита (до 345 кг!мм- по соответствующим расчетам)
Усадочные микроскопические напряжения так-
же весьма велики, являясь часто основной причиной образования
местных трещинок и даже флокенов. Они бывают только растягиваю-
щими и возникают в тех участках металла, которые имеют вкряпленныс
отдельные твердые неметаллические включения с коэфициентом линей-
ного расширения меньшим, чем металл.
Субмикросиопическне напряжения возникают встец-
стаие искажений кристаллических решеток, имеющих место по грани-
цам зерен или при натнчни атомов с сильно разнящимися атомными
радиусами.
6. Литейные напряжения в отливках
На основании изложенного можно заключить, что читейные напря-
жения являются суммой остаточных напряжений: термических □„фазо-
вых н усадочных =
Ч« = От + ’ф + «’у.
В отливках из углеродистой стали ведущая роль принад-
лежит обычно термическим напряжениям. В отливках из л е г и-
рованной ствли большое значение приобретают и фазовые
напряжения.
Остаточные литейные напряжения также не являются устойчивыми
и неизменными во времени. Они перераспределяются н отливке, вызы-
вая пластические деформации в ней (изменение формы, искажение
размеров).
Рис. 206. Холодная Трещина и массивяем ободе шестерня (диаметром 1,5 лг). обра-
довавшаяся из-за больших рестяггаающих литейных налряжеии! при очистке пнев-
матическим молотком
Литлиныл папрлжтис , ЪтальШлХ ОГАиЛка*
Если растягивающие напряжения достигают больших величин,
Достаточно бывает небольшого удара, чтобы в отливке образовалась
холодная трещина, рнс. 205.
Выбитая отливка была доставлена в обрубную без всяких дефек-
тов. Трещина в массивном ободе образовалась при очистке отливки
пневматическим молотком. В практике автора были также случаи
образования холодных трещин при падении крупных отливок с неболь-
шой высоты на мягкий грунт и даже от одностороннего нагрева солн-
цем. Известно, что холодные трещины иногда образуются, если отливка
попадет после выбивки на сквозняк, и что зимой эти трещины обра-
зуются чаще, чем летом.
Литейные напряжения могут увеличиться и вызвать даже холод-
ную трещину при форсированном нагреве отливки в процессе термиче-
ской обработки, хотя одной иэ основных целей ее яаляется снятие на-
пряжений.
Б ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ОТЛИВКАХ
ПРИ ИХ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
При правильном нагреве отливок до таких высоких температур,
когда исчезают упругие деформации и появляются только пластиче-
ские, литейные напряжения пропадают. При дальнейшем
же охлаждения отливок с этих высоких температур в них могут опять
развиться напряжения, обычно только термические и фазовые. Вели-
чина этих напряжений будет совершенно иной, чем литейных напря-
жений, бывших в отливке до нагрева. При правильно проведенном
режиме охлаждения отливки эти напряжения вообще будут иметь
незначительную величину. Одна из основных целей термической обра-
ботки— снятие напряжений — будет достигнута.
1. Внутренние напряжения в отливках прн нх нагреве в процессе
термической обработки
Для определения правильных условий нагрева с целью снятия
литейных напряжений возможно рассмотреть схему соответствующих
изменений Длин тонкой и толстой части отливки, рис. 206
Отливка имеет литейные на-
пряжения: сжимающие □ бруске I
н растягивающие в бруске II. Ес-
ли бы разъединить бруски» пре-
доставив свободу развития де-
формаций в них. то брусок I рас
ширился бы на величину отрезка
АС соответственно а3ся (см. рис.
203), а брусок II сократился бы
на ВС (Ь3сэ).
При нагреве свободного бру-
ска I соответствующее расшире-
ние определялось бы не кривой
е j —а. 11, а кривой в, = а
4-АС. В момент нагрева Z, рас-
ширение бруска / было бы АС 4-
4- « tf = АС 4- DF или прямо
DG, так кек FG = AC, а е' па-
раллельно в,. Аналогично, кри-
вея »j7 параллельна в/л так
как я-’ц —а - tn ~ ВС = •„ — ВС.
Рис. 20в. Увеличение начальных иапряже
иий системы из ! и If брусков яре на-
греве
22 Зак П. Ю А- Нехеадэ!
зав
Литеймыл свойства Д eroputtaa» крисюллизацил стали
Таким образом, в любой момент нагрева разница длин брусков,
определяющая размер упругих деформаций, составляет
— чт—я {ti—£//) + [АО
Следователыю, напряжения в отливке при нагреве будут соответ-
ствовать уже ие только бывшим упругим деформациям (ЛС 4' ВС),
но и дополнительным деформациям а - (t —t// ). Кривая имеет
меньшую крутизну подъема, чем ч , вследствие меньшей скоро-
сти нагрева более массивной части отливки.
В момент z1 получающиеся деформации соответствуют отрезку
GH, а средняя длина системы точке L. Брусок / упруго сжат на вели-
чину GL, а // растянут на HL. Положение точки L и, следовательно,
соотношение растягивающих и сжимающих напряжений, определяется
соотношением сечений Д и /а. }
Термические напряжения, получаемые прн неравномерном нагреве
отливки (тонкие части нагреваются быстрее толстых, нар) жные зоны
быстрее внутренних), могут йметь тот же знак, что и литейные напря-
жения. Толстые части окажутся под влиянием етб больших растяги-
вающих напряжений, чем до нагрева. В них может образоваться холод-
ная трещина.
Если же величина образующихся вацряженим. превысит значение-
только предела текучести, то произойдет искажение размеров отливки,
ее «поведет» прн нагреве. Так как предел текучести при повышении
температуры понижается, то возможность такой пластической дефорв
нации прн нагреве весьма облегчается 1.
Чем резче нагрев, чем больше разница температур между тонкой
и толстой частью отлнвки, между ее наружными и внутренними зона*
ми, тем больше опасность искажения размеров или образования го-
лодной трещины.
Через некоторый промежуток времени л» в области все рще упру-
гих деформаций можно произвести выравнивание температур отливки.
Кривые е/ и а« пересекутся в точке М (рис. 206). В этот момент
напряжения в отливке будут определяться упругими деформациями
соответственно отрезку ON == АВ. Они будут равны по величине и Зин-
ку тем напряжениям, которые были в отливке при на але нагрева.
Таким образом, выравнивание температур при нагреве в облает»
упругих деформаций ликвидирует только те добавочные напряжения,-
которые получаются из-за различной скорости нагрева различным
частей отливки. Чем больше первоначальные наг.ряж’е--
ния, тем осторожнее следует неетв нагрев, тем чаще
необходимо производить выдержки для выравнивав
ния температур.
Поэтому нельзя, например, остывшую отлнаку с большими литей-
ными напряжениями сажать в горячую печь. Поэтому иногда- н прак-
тике применяют обмазку тонких частей отливки толстым слоем глины,
а посадку отлнвки в печь ведут таким образом, чтобы толстые части
были ближе к топке.
Вообще же, как правило, посадку отливок в печь следует произво-
дить после полной очистки от формовочной смеси. Конструкция печи
и укладка отливок должны обеспечить свободную ннркуляцию газов
между различными частями Всех отливок. 'При этих условиях будет
также полностью использована термическая мощность пени. Лишьдрн
«осадке отливок в холодную печь, когда-ее; разогрев идет одыовррмен- ‘
но с нагревом отливок, предварительная очйстка их не имеет большой^
г Необходимо также отметить, что и ражер возвикааовмх напряжений
при нагреве меньше, даже при одинаковой упругой дефориадка (д, — чрл,
где Г/<£ив «Уми»). к 4 11
Литейные напряжения в етальнЫх Отливках ЗЭ9
значения. Этим часто пользуются в Произвол ст в 6, так как очистка
и удаление пригара после отзкигй «Вйегчаются. Однако, если отливки
подвергаются нормализации, й тем более закалке, очистка обязательна.
В отливках нз легированной -стали в результате преобладания
фазовых напряжений может получиться распределение литейных напря-
жений по сечению по схеме рис. 204, д. Тогда, при форсированном
нагреве тонкой части Отлийкв, растягивающее напряжения в ней будут
уже уменьшаться из-за вновь возникающих сжимающих. В этом слу-
чае, как это ни парадоксально на первый взгляд, посадка в горячую
печь и быстрый нагрев могут оказаться не только безвредными, но даже
полезными.
В таких условиях нагрева возникающие термические напряжения
могут, при известной величине соответствующей деформации, даже
полностью компенсировать имеющиеся в отливке напряжения Однако
При чрезмерно форсированном нагреве возникающие напряжения будут
уже весьма велики. Они не только компенсируют бывшие в отливке
напряжения противоположного знака, но проявятся в виде растягива-
ющих в толстой и сжимающих в тонкой части отливки (см. рис. 206).
Таким образом, даже в случае сжимающих напряжений в толстой
или срединной части отливки, необходимо с большой осторожностью
допускать форсированный нагрев.
На основании изложенного, в практике применяют посадку в печь
отливок кз мвлотеплопроводной стали при температуре не выше 200—
300° (отливки из быстрорежущей, мартенситной нержавеющей, марган-
цовой Гадфильда и т. п.). Отливки из углеродистой стали допускают
более высокие температуры печи при садке (500—600 и иногда до
700°)
Вопрос о допустимой скорости нагрева имеет большое производ-
ственное значение. Стахановские методы работы требуют максимально
форсировать нагрев при обеспечении надлежащего качества от-
ливок. Имеющиеся многочислеяиыё формулы для расчета ско-
рости нагрева слитков дают противоречивые результаты. Например,
|проф. Н. А. Минкевйч | [04] определил до формулам различных авто-
ров продолжительность нагрева, заготовки нз углеродистой стали диа-
метром 50 мм. до 1200° от 7,8 до- .34 мин.
Только те формулы могут иметь действительное значение, которые
учитывают ^уадьцце допрвддокя ц рздеднц, а также дополнительно
возникающие, зависящие от теплопроводности и коэфициента линейного
расширения металла.
Необходимо, однако^ упшыигп^'что во - многих -формулах для рас-
чета скорости нагрева не всегда указывается, к каким изделиям они
относятся: нз литой или кованой стили. Отливка (й слиток) должна
всегда иметь меньшую скорость иагрева из-за обычно больших
начальных напряжений. Кроме того, литая сталь имеет меньшую теп-
лопроводность вследствие мнЬгочисленНЫх пор. Для сравнения с выше-
приведенными данными о скорости нагрева кованых заготовок диа-
метром 50 мм из углеродистой стали, можно Привести данные о скоро-
сти нагрева отливки 50 X 160 X 800 мм иа никелехромовголибденобой
стали, рис. 207.
Выравнивание температур йройзйёдеЯО при 870° Замедление ско-
рости иагрева при 759° объясняется началом фазовых превращений.
Общая скорость BrfFjSefea, йёбмоТря на сравнительно форсированный
1 В. Е. Груч-ГрмиыаЯт ^44) отилмт обрмомние сквозных трепля, «скво-
речников», .в с-читыи: «Если хеле^ныЗ^ c«cro«f„ тревдф (маяотеплопровод-
н с й — Ю. Н ) стали посадить в горячую лечь, то черва некоторое время можно
услышать отчетливый эву Лопнувшей струны».
22*
J40
Литейны* свойства р вторичная кристщАмзация стали
режим, все же значительно ниже соответствующах данных для кова-
ной ствлв. Следует, конечно, учитывать меньшую теплопроводность
дегированной ствли по сравнению с углеродистой.
Всегда существует перепад температур между атмосферой печи,
поверхностью и внутренней зоной отливки. Наибольшая разница полу-
чается в начальных фазах нагрева, когда как раз велика опасность
образования напряжений. Поэтому, как правило, скорость н а г р е-
Ркс. 207. Температурные градиенты прн нагреве и охлаждении Ва воздухе я в воде
отлнвки «-« из ннкелечромомолибденовой стали
ва при низких температурах должна быть всегда
меньшей, чем прн более высоких.
Если в современной практике форсированных процессов скорость
нагрева несложных отливок из углеродистой стали может достигать
200° и даже (для простых, небольших отливок) 500°/час, то для слож-
ных отливок из легированной стали рекомендуется не превышать
вначале 30—50”/час Для очень массивных отливок, ® которых особенно
велика опасность образования крупных напряжений (например, шабо-
ты), скорость нагрева вначале обычно не превышает 5—15°/час.
2. Внутренние напряжения в отливках при нх охлаждения
в процессе термической обработки
Все рассмотренные выше вопросы теории образования литейных
напряжений при остывании отливки в форме могут быть обобщены
и для условий возникновения напряжении при охлаждении в процессе
термической обработки.
Таким образом, чем быстрее охлаждение, чем больше разница
в температурах и скорости охлаждения различных частей отливки,—
тем больше возникающие напряжения. С другой стороны, чем больше
скорость охлаждения от температур регенерации и отпуска, тем выше
Механические свойства стали (мельче зерно, меньше чувствительность
к отпускной хрупкости).
Следовательно, пути повышении механических свойств и уменьше-
ния внутренних напряжений в отливках находятся в цротивиречми.
Решать вопрос следует для каждой отливки отдельно, в зависимости от
условий службы ее, конфигурации, выбранного состава стали, местных
технических средств для термической обработки. Принципиально же
нужно всегда стремиться к более быстрому охлаждению отливки,
улучшающему ее свойства и удешевляющему стоимость.
Литейные напряжения в стальных отливках
VI
При охлаждении отливки с температур регенерации (выше Лса)
возникают смешанные термические и фазовые напряжения. При
охлаждении с температур отпуска (ниже Act) возникают только
термические напряжения (за исключением некоторых специальных слу
чаев: дисперсионного твердения, распада остаточного аустенита и др.)
Размер этих напряжений в зависимости от скорости охлаждения
с соответствующих температур регенерации и отпуска может иллюст-
рироваться экспериментальными данными рис. 208 [95].
На рисункё видно резкое, скачкообразное понижение всех видов
напряжений, особенно термических осевых, при охлаждении на воз-
Рис. 208. Влияние скорости охлаждения на термические напряжения в цилиндрах
диаметром 50 мм «з стали с 0,3% С, нагретой до 650° (слева). Влияние скорости
охлаждения па смешанные (термические и фазовые) напряжения в цилиндрах дна
метром 50 .«л и стали с 0,3% С, нагретой до 850° (справа)
тнирлос/ь по Врпиелю- > -
духе или в печи вместо маета или воды. При этом, как и следовало
ожидать, величина возникающих напряжений (до 55 кг!мм* при охлаж-
дении в воде) совершенно не определяется получаемой в отливках
твердостью.
Столь большие напряжения объясняются огромным температурным
градиентом (до 600э), получающимся при резком охлаждении в воде
отливки даже С такой сравнительно небольшой толщиной Стеики. как
50 мм (см, рис. 207, справа).
РежиМЫ заводских методов термической обработки отливок весом
3,5 т из легированной стали представлены на рис. 209. Нормальный
отжиг (режим № 1—О) с медленным охлаждением в закрытой печи
дает наименьшие смешанные (термические и фазовые) напряжения.
«Нормализация» (режим № 2 — //) в условиях данного исследования
не является настоящей нормализацией, так как охлаждение производи-
лось в печи прн открытых дверцах в поднятом тягозом шибере. Однако
получаемые напряжения >же бдлыпие, чем при отжиге. Отпуск отли-
вок после «нормализации» (режим № 3—Н.О) уменьшает наппижения.
причем предварительный диффузионный отжиг (режим № 4—Г. И. О.).
оказывает дополнительно благотворное влияние. В этом исследовании
М. Андреева [96[ наибольшие напряжения получаются, как и следовато
ожидать, при закалке с отпуском (режим № 5—З.О)
Уже отмечалось, что аакалка с отпуском на сорбит (улучшение),
несмотря на достигаемые высокие оптимальные механические свойства,
еще сравнительно мало применяется для стальных отливок. Основной
причиной, вызвавшей это отставание, является опасение возникновения
больших напряжений и холодных трещин. При закалке получаются
пндць..._большие- температурные градиенты как по сечению отливки
егальяиьх «глчвклх
i’HC. 210- Скорость охлаждения центральной зоны толстой я тон-
кой части стальной отливки (брусков // и 7) на воздухе и в воде
(температуры +20. 40 в 5о°). Максимальная разница температур
повышается со 100 ло 60Q°
(см. рис. 207), так в между частями с различной толщиной стенок,
рис. 210.
Однако правильным режимом охлаждения путем подбора темпе-
ратуры закалки и надлежащей среды (вплоть до закалки в масле или
в воде с предварительным подстуживвнием на воздухе) можно полу-
чить здоровую отливку. Решающую роль яри этом будет играть пра-
вильно выбранный момент конца охлаждения и переноса отлнвки
в специальную печь для отпуска и снятия напряжений. Разрешение
рцпросов позволило на, некоторых заводах у нас и в США начать
у^нсе широкое применение дакалки отливок даже сложной конфигурации
весом до 10 т и в некоторых случаях до 40 т.
3. Снятие внутренних напряжений в отливках
при их термической обработке
Каи следует нз всего мэложснкоге, для снятия н а в р я же-
ня й путем термической обработки, отливку необходимо
нагреть до достаточно высоких температур области
пластических деформаций Р и добиться выравнива-
ния тем п е р а ту р по ее сечениям при последующем
охлаждении. Наиболее простым методом выравнивания темпе-
ратур является медленное охлаждение отливки. Однако, как указыва-
лось, даже при отпуске желательно по возможности увеличить ско-
рость охлаждения.
Чтобы наилучшим образом разрешить эти противоречия, необхо-
димо установить, от какой температуры нагрева отливки должно про
исходить ее медленное охлаждение и когда должны быть вырнвнены
температуры
В схеме рис. 203 в момент z2 наиболее медленно охлаждают яся
часть отливки достигает области упругих деформаций. Этот момент
zb является последним н критическим для появления деформаций без
напряжений. Именно в этот момент должны быть уже выравнены
температуры по сечению и между различными частями отливки. Если
выравнивание температур произойдет позднее момента zlt т. е. уже
в ооласти упругих деформаций, то в оттивке все равно возникнут
цанркженив того же знака н- величины,, как и при ровном охлаждении,
рис. 211.
344
Литейные свойства а вторичная криствллымн&я стали
Рве. 211. Образование внутренних наАря-
женнй при выравнивания температур от-
ливки в области упруга» деформаций
В момент z3 выравнивания температур бруски / и Я имели общую
длину, определяемую точкой Сз- Тонкий брусок I был упруго сжат на
Ь'з £з. а брусок Я упруго растянут на а'зСз. При выравнивании темпе-
ратур бруски / и Я получают некоторую одинаковую температуру trp
и новую общую длину, определяемую точкой d.
При этом брусок Я должен
будет охладиться с его гемпера-
п А ГУры tn до ?ср, т. е. укоротиться
На величину а - (t« — tto) по
i сравнению со своим свободным
! >“^Лг состоянием (отрезок ujd). Но так
। j как брусок Я связан с / и нахо-
f Дигся в области упругих дефор-
уТ наций, то он будет упруго растя-
‘ — —111 нут на a3d. Потное же упругое
растяжение бруска Я будет
Ля a3d -f- aa'cv
где a3d— упругая деформация
из-за выравнивания
температур,
а'аСз — упругая деформация
из-за неравномерного
охлаждения между
моментами z2 и *з-
Аналогично определяется
полное упругое сжатие бруска I
4/ — bsd +
Таким образом, общая величина упругих деформаций системы из
брусков J и Я в момент z3 при выравнивании температур может быть
представлена, как
Л/in = [ла'с3-J- a3d} -L [Рз'г, 4- =св'Р,’ f-саЬ8. (58)
Физический смысл формулы (58) заключается в том, что пра
выравнивании температур в области упругих деформаций имеющиеся
уже в этот момент напряжении из-за неравномерного охлаждения уве-
личиваются вследствие вырввниеания температур.
В результате того, что
«з — as ~а.3Ь2 — с/ Ь2,
можно заключите что
а,' й3! -+- ля *3 *= ая' -L [п„ Л, — ав' b3‘ J=о, bs.
или физически: возникающие при выравнивании температур упругие
деформации равны тем пластическим, которые были в системе в момент
z2 начала действия упругих деформаций.
Таким образом, при поздйем выравнивании температур уже в об-
ласти упругих деформаций возникающие напряжения достигают гой
величины, которую система получила бы при полном охлаждении без
в ы р а в н и в а ян я.
Подобное выравнивание температур вредно для качества отливки.
В момент z3, при повышенных температурах области упругих дефор-
маций, Прочность стали меньше, чем при нормальных температурах.
Поэтому в отливке легче происходит искажение размеров или даже
образование трещины.
Такая трещина, по Механизму своего образования, является
холодной трещиной. Она отпнчается по внешнем) виду от трещи-
ЛвггЛяка ммфвжмм еталкншх отливках
ны, образующейся пра нор калькой температуре, тем, что покрыта раз-
личными цветами побежалости, соответственно температуре обра-
зования.
На основе изложенного, автор предлагает оптимальное сочетание
быстрого охлаждения оттняки с отсутствием напряжений в ней
достигать установлением режима термической обработки по схеме
рис. 212.
После нагрева, выдержки и выравнивания температур М в области
пластических деформаций Р можно в течение промежутка времени г.
вести быстрое охлаждение (достиг-
нуть мелкого зерна) Но при при-
ближении к области упругих дефор-
маций необходимо путем выдержки
произвести выравнивание темпера-
тур (в тонкой части отливки поле-
чится пластическая деформация рас-
тяжения RT, в толстой — сжатия
SR). Границу перехода иа области
пластических в область упругих
деформаций необходимо пройти с
выравненными температурами, обес-
печив равенство «д == t При
дальнейшем охлаждении, уже в об-
ласти упругих деформаций, можно
вновь допустить высокую скорость
охлаждения. Возникающие напря-
жения (деформация a'3b'a в момент
Рис. 212. Быстрое охлаждение в об-
ласти пластических и упругих де-
формаций, но медленное в моыевт
перехода. Отсутствие ваиряжеикв
в охлажденной отливке
za) будут проходящими и ис-
чезнут к моменту полного
охлаждения отливки.
Нужно отметить, что схема
рис. 212 имеет в виду главным об-
разом термические напряжении. При этом, в случае чрезмерно резкого
охлаждения в области упругих деформаций, следует все же учитывать
хотя и временную, проходящую, но известную опасность быстрого
возрастания напряжений.
Схема рис. 212 объясняет рекомендуемые меры борьбы с напря-
жениями при производстве отливок, особенно легко подверженных
образованию холодных трещин. Такне отливки выбивают нз опоки
немедленно после заливки, что, кстати, полезно для предотвращения
горячих трещин, и переносят в предварительно разогретую печь или
томильные колодцы. Прн последующем медленном охлаждении,
несмотря на выбивку отливки и быстрое охлаждение в области пласти
ческих деформаций, напряжения достигают небольшой величины.
Очевидно, что посадку в печь нужно обязательно делать до момента
достижения отливкой области упругих деформаций. Иначе трещины
или большие напряжения в ней неизбежны.
Схема рис. 212 может также рассматриваться, как рекомендуемый
режим охлаждения при нормальном отжиге стальных отливок.
Схема рис. 212 предполагает для снятия напряжений нагрев до
высоких температур области пластических деформаций Р, т. е. выше
620—650° для стали. Однако в практике, если не требуется регенера-
ции, часто производят снятие напряжений отпуском при температурах
несколько ниже 650°. Объясняется это тем, что при таких температу-
рах уже весьма заметно влияние сосуществования упругих и пласти-
ческих деформаций. Кроме того, при данной постоянной нагрузке
с течением времени увеличивается пластическая деформация метят
346
Литейлы*--свойства и вторичная криствллшас^ля стали
Сяедонательно, достаточно длительная выдержка прн температуре
отпуска ниж| критической полного перехода в область пластической
деформации Р позволяет добиться известного уменьшения напряжений.
Очевмдо, что. чем выше температуря отпуска, тек полнее снимаются
напряжения 'Жтем меньше может быть выдержка, ряс. 213 (97}.
Скорость снятия напряжений велика в начале выдержки, затем
постепенно уменьшается, что показывает на экспоненциальную зави-
симость, рис. 214.
Из рие- 2.14 также усматривается, что даже длительная выдержка
при 400° не может значительно снизить напряжения как в лирой,
Рл. 213. Влияние температуры ..
пуска па снятие ысряжеиий
в стзлынзх ЬуЛнвка* (сталь 0.3% С);
йрсмя вь/держ в В час.; начальные
апряжения—785 кг/мм*
Рис. 214. Влияние выдержим ырп
различных температурах на умень
шение напряжений в стальных от-
лИвиак
и в кованой стали. Поэтому следует ^еяомеядовить температуры опту
ск* для еиятия напряжений стальных о?лисках интервале 550—650*
а длительность выдержки около 2 чес. и более
Необходимо отметить, что даже при таких температурах Полное
снятие напряжений, приблизительно до 95—98%, достигается только
черва длительные промежутки времени. Например, специально нвстйН*
ленные исследования для образцов из литой угтероднстой стали пока-
зали, что полное снятие напряже яй достигается при 750“ Черет
50 мин., при 650*—уже через 15 час., а при 550° требуется светите
150 час.
В практике ограничиваются значительно более короткими выдерж-
ками, учитывая Экспоненциальную зависимость скорости снятия напря-
жений от длительности выдержки (рис. 214) ц несущественное значе-
ние Для службы отливок мачых остаточных напряжений
Процесс уменьшения напряжений за счет пластической деформации
может идти и при нормальных температурах в течение очень длитель-
ного времени. Это так называемое «старение» илн «вылеживание»
отливок в течение нескольких месяцев сохранилось в качестве метода
работы и поныне еще на некоторых заводах. Имеются исследования,
показывающие, что для чугунных отливок вылеживание, например,
в течение 3 месяцев дает такой же эффект ••. уменьшению в пряже-
ний, как отпуск при. 180—350а
Очевидно, что в современном производстве необходимо-обеспечил»
достаточна длительным отпуском, хотя бы при низких тем перату ах.
Литхйньт лалркжвиил а стальных отливках
347
такое уменьшение напряжений, которое гарантировало бы ностоянство
размеров отливки. Подобный метод отпуска вместо вылеживания не
только более правилен технически, но важек и экономически, умень-
шая объем незавершенного производства.
4. Внутренние напряжения при механической обработке отливок
В сшци с уменьшением - сечений «тлнакк «до меядончеохой овдоботке может
в известных условиях увеличиться удельное значение действующих напряжений —
происходит их перераспределение. В отливке может получиться ненажечие разме-
ра в и даже трещина. Поэтому для отливок, от которых требуется точность раже ров
после большой механической обработки, необходимо особенно тщательно проводить
отпуск Для снятия вапряженЯй. Некоторые ответственные и точные во размерам от-
ливки, работающие при повышенных температурах (например, пилицдры турбин),
подвергают даже повторному обязательному отпуску после грубой механической
обработки. Очевидно, что температура такого отпуска должна быть выше рабочей
температуры при службе изделия.
При механической обработке в поверхностных слоях отливки возникают также
ноже, дополнительные напряжения, получаемые из-за соответствующих деформаций
вследствие давления резца и иаГрева при обточке или строжке. По некоторым ис-
следованиям такие яалряжетгя в поверхностных слоях могут достигать 25—
30 кг!мл&.
5. Практические методы измерения напряжений
Имеется около 40 различных методов измерения напряжений. Для литого ме-
талла наяболае применим ме*6д уеяйвчиыХ решеток, представляющих смаянную си-
стему, в которой определяется соответствующая деформация L Дтн определения
напряжений непосредсгеейЕю в огляжу наиболее часто применится метод вырезки
И разрезки диска кли Сверловки отверстия И: ie эямеоа деформаций производится
по их величине расчет яапряйёинП по’формулаКГ Н. И. Дявцденкова, Ламе и др. 198).
В. МЕРЫ БОРЬБЫ С ЛИТЕЙНЫМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ
В ОТЛИВКАХ
Борьба с напряжениями, хек литерными, так и получающимися
при термической обработке, должна вестись не только после нх обра-
зования, путем отпуска- необходимо предупреждать возникно-
вение напряжений, которые еще до ; сственного снятия их могут
разрядиться, вызывая искажение размеров (изгиб) или трещину в от-
ливке. Вместе с тем в некоторых случаях пластическая деформация,
лежащая в пределах размерных допусков, полезна, вызывая извей ное
уменьшение напряжений.
1. Пластические деформациТГ^и холодные трещины
в отливках доп влиянием напряжений
В рассмотренной теории образования напряжений принималось,
что отливка под влиянием напряжений не подвергается никаким пла-
стическим формоизменениям. Вместе с тем возникающий изгибающий
момент (стр. 322) должен деформировать отливку, вызывая при боль-
шой своей величине пластическую реформацию и соответственно
уменьшение напряжений.
Из теории напряжений следует, что при превалировании термиче-
ских напряжений >в толстых частях или внутренних зонах отливки
будут господствовать растягивающие ы*ряжения. Под нх влиянием
отливка, состоящая, например, из тонкого и толстого брусков / и 11
(см. рис. 203), должна будет изогнуться. Толстые части отливки под
влиянием сжимающих ушГлнй должны стать вогнутыми, тонкие —г
выпуклыми. Искажение размеров и формы отливки примет вид. как
указано на рис 215 [41J.
1 Метод оюгсав в Методичеспом руководстве и лабораторным занятиям по
курсу «Технология литейного производства *, еоетйвлениому кафедрой «Лвтеймое
производство» Ленинградского политехнического института.
Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
Возможность предсказания хяриктера и размера искажения
равмеров отливка имеет большое значение в практике. Например, ког-
да отливку, несмотря на врииимаемые меры, все же нельзя получил
Рнс. 215. Экспериментально определенное искривление отливки
из двух бруско^ под влиянием напряжений (пунктир!
без изгиба, тогда модель отливки нужно выгнуть в обратную сторону.
При правильной величине обратного прогиба модели отливка получится
тже ровной, без изгиба, п с минимальными напряжениями.
Рис, 2)6. а _ искривление рельса
под влиянием напряжений я метод
уменьшения этого искривления;
б — исхривлмие профилей швелле-
ра, угольника и тавра под влиянием
напряжений; в — невозможность ис-
крименая-крестообразного или дву-
г «иропого профиля под влиянием
напряжений
Для иллюстрации этого приема ра-
боты следует вспомнить рельсо-басоч-
ное производство, в котором обязатель-
ной фазой процесса является правка
горячего рельса Прямая рельсовая по-
лоса, выйдя Непосредственно на стана,
сейчас же поступает на соответствую-
щее приспособление — «правильный
мост», имеющий, на основе ряда экспе-
риментов, определенный радиус закруг-
ления. Прямой рельс, прижимаясь осо-
быми захватами к этому закруглению.
Легко изгибается, так гик операция
происходит при высоких температурах.
При последующем охтажденмн на
стеллажах в рельсовой полосе неиз-
бежно возникают термические напря-
жения: растягивающие в толстой го-
ловке (брусок II) и сжимающие в тон-
кой пяте (брусок /). Пол влиянием
этих напряжений рельс должен изо
гнуться так, что головка станет вогну-
той, а пята выпуклой (рис. 216, а).
Но благодаря произведенному за-
ранее на «правильном мосту» изгибу
в обратную сторону, рельс при пол-
ном охлаждении получается сравни-
тельно прямым н с небольшими напри
жениями. На рис. 216, б приведены из-
гибы сечений швеллера, угольника и
тавра. Нижняя полка швеллера, сочле-
нение полок угольника млн тавра ох
лаждаются медленнее Они получаются
вогнутыми. В крестообразном илн дву-
тавровом сеченая рис. 216, в изгиба
под влиянием термических напряжений
уже получиться не может вследствие
симметричности их распределения. Эта
понструкции являются как раз приме
ром того указанного выше случаи, ког-
да изгибающий момент не может про-
явиться (стр. 321). Вместе с тем в цен-
тральной эоне крестообразного сечении
н в местах сочленения полок двутавре-
Литейные напряжения а СТцЛъныЪ отлилкил.
•W
Врго — развиваются растягивающие напряжения. В результате изделие пмучаего»
без изгиба, но с большими остаточными напряжениями. Этим можно объяс'
нить известные в практике случаи раскола массивных двутавровых балок вдоль их
вертикальной полки при перевозке по железной дороге вл и при вырубке дефектов
пыевыатическим зубилом.
В практике также часто наблюдаются случаи искривления труб илд влит.
Трубы всегда изгибаются только в том случае, если имеют эксцентрично располо-
женную дыру. При этом труба будет вогнута по толстой стейке и выпукла по тонкой.
Любая плита сэ*ой простой формы и даже ровной толщины будет все же
стремиться изогнуться. Средняя часть плиты всегда охлаждается несколько медлен-
нее. чем ее торцы. Поэтому в практике, если не делают модель с обратным проги-
бом, стараются искусствен во повысить скорость охлаждения средней чисти плиты
(снимают верхнюю опоку, разрыхляют формовочную смесь, поливают ее водой, ста-
вят холодильники и г. л.).
Рассмотренные примеры из практики иллюстрировали влияние
термических напряжений. Если доминируют фазовые напряжения, то
деформации могут получаться обратными. Чрезвычайно характерно
в этом отношении влияние графитизации. Приводящей к увеличению
объема толстой части отливки большему, чем тонкой, рнс. 217.
В левой частп рнс. 217 приведены результаты исследования
Бауэра [37J по изгибу чугунных .брусков с меняющимся отноше-
W* Стат,
Рис. 217 Различное искривление брусков в зависимости от отношаиин приведен-
ных толщин к объемов брусков I и П и заливки чугуном или сталью
нием приведенных толщин II . I от 2,35 до 1,65. Толстый брусок Я,
вопреки закономерностям термических напряжений, оказался выпук-
лым, а тонкий вогнутым. Стрела прогиба меняется в зависимости от
соотношения приведенных толщин брусков. Залитые автором бруски
тех же размеров углеродистой сталью показали нормальную деформа-
цию под влиянием термических напряжений. Толстый, брусок II
в стальной отливке, как можно было предсказать заранее, оказался
уже вогнутым, с меняющейся стрелой прогиба от 5 до — 1 мм (рис. 217,
справа).
Допустимое в пределах припуска на обработку искажение раз-
меров отливки является по существу одним из мероприятий по борьбе
с напряжениями. В практике иногда, особенно при изготовлении тонко-
стенных отливок сложной конфигурации, приходится преднамеренно
допускать большие искривления отливок, предпочитай их напряжениям.
Прп этом имеется в виду, что последующая правка отливки (в холод-
350 Литейные свойства и вторичная кристаллизация стали
ном или горячем состоянии) восстановит полученное искажение формы
и размеров. Однако Правка, так же как и увеличение припусков на
обработку для обеспечения чертежных размеров при короблении
отливки, являются мерами борьбы, допускаемыми в виде исключения
только при индивидуальном производстве. При массовом изготовлении
отливок подобные меры борьбы, увеличивающие расход металла
и топлива, рабочей силы и приспособлений, недопустимы.
____ Рнс. 818. Расдожияжче колейной трещиИы но г. нцм. дд_-
човинаы’ (глева)„л-пв Ьемета.тли-ЙскиШ ВТ. Ючеиияы (справа)
При превышении -критической .величины"пластической деформации
образуются холодные трещины. В отличие от горячих они почти всегда
сквозные. Они появляются в зоне растягивающих напряжений и рас-
полагаются Преимущественно в острых углах и других местах концен-
трации напряжений. Поэтому онй могут Образоваться п в том случае,
если -средняя величина действующих в данном сечевик напряжений
будет меньше предела прочности. По данным автора холодные трещины
особо легко образуются в участках, пораженных включениями, рис. 218.
Мероприятия по борьбе с холодным^- трещинами являются по
существу соответствующими мерами борьбы с возникновением напря-
жений. Они могут тфовад+ггеся по линии влияния свойств как метал-
ла, гак и формы.
1) Меры борьбы с напряжениями и их послед-
ствиями, зависящие от металла. Влияние свойств металла
следует рассматривать не только с точки зрения возникающих напря-
жений, но и противодействия их последствиям, т. е. образованию дефор-
маций и трещинам в отливках. В этом отношении весьма существенное
влияние оказывает состав металла й его строение
Меры борьбы с напряжениями и их последствия-
ми, связанные с составом и строением металла. Влия-
ние свойств металла иа размер возникающих напряжений уже рас-
сматривалось выше. Меры же борьбы с последствиями напряжений
заключаются дополнительно в возможно ббльшем повышении прочности
й пластичности металла й отливки.
В общем виде можно отметить, что такие элементы стала как
углерод, хром, марганец и др., понижают теплопроводность стали
и температуру Превращений f -* щ Вызывая при этом образование
Структур с большим объемом. Эти элементы одновременно значительно
понижают пластичность стали. Поэтому й отливках с повышенным
содержанием углерода, хрома, марганца, несмотря на благотворное
их влияние иа увеличение Пределов текучести п прочности, легко обра-
зуются Холодные трещины.
Литешла нопряжааая а втальных отливках
Такие алементы, как никель «ли кремний и даже хрвм в низко-
углеродистой стали, несмотря на то, что также понижают теплопровод-
ность стали, уже так не способствуют образованию холодных tj, у in
Эти элементы не понижают столь сильно пластичность стали.
Для борьбы с напряжениями нужно всегда стремиться подбирать
состав стали по возможности с более низким содержанием
углерода н легирующих карбидообразующих эле-
ментов.
Очевидно, что мелкозернистое и плотное строение металла необ-
ходимо для борьбы с напряжениями. Это строение оказывает большое
влияние также на величину напряно-ний II рода и связанные с ними
мелкие внутренние трещины.
Решающая роль высокой пластичности и строения стали в образо-
вании холодных трещин видна из следующего примера. Отливки из
аустенитной стали (марганцовэй Гадфильда, хромоникелевой кислото-
упорной) подвергаются обьгчцо истинной закалке с высокой темпе-
ратуры (1050—1150°) замочкой в холодную воду. В отливках возни-
кают очень крупные напряжения, так как теплопроводность этих сталей
весьма низка. Однако холодные трещины образуются редко, только
в отливках сложной конфигурации.
Объясняется это тем, что механические свойства стали с аустенит-
ным строением характеризуются низким пределом упругости и высокой
пластичностью. Возникающие при закалке крупные термические напря-
жения (фазовые напряжения в стали аустенитного класса почти отсут
ствуют) быстро превышают значения предела упругости. Но благодаря
получающейся большой пластической деформации
отливки холодные трещины не образуются.
Та же высокомарганцован сталь Гадфилвда при охлаждении
в форме после заливки имеет строение аустенит плюс карбиды, что
определяет ее большую хрупкость. Поэтому в сырых отливках из стали
Гадфилвда, не только при резком охлаждении в воде, но даже на воз-
духе при ранней выбивке из опок,—легко образуется холодные тре-
щины.
2) Меры борьбы с напряжениями я их Йоследст-
виями, зависящие от формы. Мероприятии, зависящие от
формы, цо обеспечению свободной усадки и выравниванию температур
отливки в момент переход* в область упругих деформаций, уже рас-
сматривались (стр. 331). Велики роль в этих мероприятиях правильной
конструкции отливки, которая должна иметь отношение приведенных’
толщин своих различных частей, близкое к единицей~ Н ОднаШо
\ Rir
в ряде случаев эту Меру нельзя осуществить, тем более, онй п0отя
?оречцт принципу направленного затвердевания.. Тогда особое внимание
нужно уделить собяоденню принципа свободной, не связанной
конструкции, и тем мероприятиям, которые возможно провести при
[зготовЛении модели и при остывании отливки.
Меры борьбы с напряжениями в их по о л ед е< вя я м и *яя
»*икие с конструкцией отлажен я модели. Цевтегвобризно равсмо-
трел уаяовия изготовлевия ширено расвространгняых в- практике стии* кругла*
формц. Без прнлятия специальных мер такие отливки обычно выходят «г искажен-
ными размерами илы с большими напряжениями.
Конструкции шкива с тонким ободом ы толстыми «пыжи- првдгвдааеиа
на рис. 2)9.
Щи ззляЬке углеродистой сталью. Когда развиваются преимущественно терыя-
чеекие, а яе фазовые напряжевая, яожйо ла основании теории лалряацеиий заранее
эйхлючить: в толстых ctnjuax будут растягивающие, а в тонком ободе ежкмаюцше
иьпряжекпя. Из кривых усадки обода и спиц видно, что Тонкий обод достиг обла-
гк *ртругн\- чефо»«»аЦ15П Че- з 20. а Толстые CfiyUu ц втулка через 5Р мин посте
эаливкн, t ’ ’
io2
Литешам ыойства и вторичны нр<мяо.глыицил стали
Рис. 219. Криви* усадки и образование термических напря-
жений в отливке шкива с тонким ободом и толстыми спи-
цами и втулкой (V — конец расширения после ватвердева-
ния, *+» — начало упругих деформаций)
при достижении упругого интервала Спицы приходят к нему укороченными по срав-
нению с длиной, которую они имели би прн свободной усадке. Поэтому в них воз-
никают растапвающие напряжения и соответствующие сжшающие реактивные
усилия.
Аналогичное заключение о знаке напряжений можно сделать, расаитрнвая не
термическое, а механическое торможение усадки. Для упрощения можно предполо
жить, что спицы отделены от обода. Усадка спиц будет свободна, а обода тормо-
зиться сопротивлением формы. При диаметре шкива в 1000 мм и изготовлении моде-
ли на 1020 мм (усадка 2%) длина спиц была бы 1000 мм. в диаметр обода
1005 мм (см. рис. 65). Так как обод н спицы связаны в одну систему, то в Месте
сочлененмя получится некоторая средняя длина, например. 1003 мм (рис. 220, а).
Спицы находятся под воздействием растягивающих напряжений, обод—
сжимающих. Обод отливки в результате деформаций примет вид. показанный сплош-
ными лилиями на рис 220, а Обод будет иметь прогиб по спицам. Получится так
называемая «утяжка» обода, вызывающая забракование отлшкл но размерам Если
отливка подвергается механической обработке то. во яэбежаляе брака, нужно бу
дет дать усиленны! припуск ин толью снаружи, но и внутри обода (рис. 221, в).
Подобная мера борьбы нерациональна и допустима только при изготовлеияи
единичных отливок Прн массовом пронмодстие «еобходмао сделать «фальшивые»
модели или стержни в месте сочленения спиц с ободом (рис. 221, б).
Указаетая сплошной линией деформация в сочлетенка так выгибает обод
(пунктир), что в конечном счете отливка получается круглой, без «утяжин» обода.
Известный эффект можно получить также, заменяя овальное сечение толстых
с.тяа двутавровым, момент сопротивления которого в три раза больше. Опта с та-
ким сечениеи будет затвердевать быстрее из-за меньшей приведенной толщины,
вследствие чего уменьшится прогиб обода.
Литейные напряжения в стальных стлнеках-
ЫЗ
В ютяжвк* зубчатог* колеса с толсти» ободом и с тонким» ошма*н возни-
мжт уже Оведа риетиттвающие напряжения и сжямйклцие рерхтивнъЛ уеил+в.
Третьи обод обычно- всегда может преодолеть сопротивление формы а нрлучвть
большую усадку. Колесо с толстым ободом будет уже прогиботжса между гжиаин
ч вогнуто по ввм Отливка также не получится круглой (рис. 220,6).
Ж
Рнс. 220: в — прогиб тонкого обода
шкива по толстым спицам как след-
ствие термического и » ?
торможения усадки; 6— Ujkuj*6.»wc
сивиого обода зубч^Ущо
между спица ни
Тонкие спицы остывают быстрее, и
wHDr де стесненная усадка их получа-
ет поянЛг развитие. Усадка обода, пре-
одолевая сопротивление формы, не смо-
жет преодолеть сопротивления спиц, что и
приведет к деформации.
Получающийся прогиб достигает 13—
to ячл в отливках диаметром около 3 М-
fc кодлах с фрезеронанным зубом часто
увеличивают прицуск на обработку обода
Для, компенсации этого прогиба. Как ука-
зывалось, это иерацисивльзо, и во всяком
случае не осуществимо в колесах с литым
зубЪМ. Получение таких колес с точными
размерами представляет большие произ-
водственные трудности и требует принятия
ряха специальных мер.
Нехпторыо жз эткх мер следует прн-
^гстя' вследствие принципиального харак-
чдав и возможности обобщении.
а) Изменение конструкции
для более благоприятного рас-
пределения н бфяжетгиб (рис. 222). Равнодейсгвуюшая напряжений сжимает
обод, но не совпадает с ивпраелвшбы центростремительной «илы. Поэтому замена
прямых спиц изогнут»»» унмньТиЛет деформации. Это' мероприятие не дает исчерпы-
вающего эффекта при «рупны* и шссивнах «Оглизках
23 Зак. 79. Ю Л. Нехевдзи
354
Литейные свойства U вторичная кристаллизация стали
б) Изменение конструкции отлижи дли обеспечения сво-
бодное усадки ее отдельных частей. Например, крупную отлиыу
маховой следует разделить на два полукольца. После обработки син должны быть
соединены болтами, а иа втулку носа жены кольца.
Напряжении и искривления полуколец будут, конечно, меныпимн. чем целого
колеса. Однако в больших колесах, вследствие механического торможавия усадки,
Ряс 223. Сопротивление формы, обусловливаю-
щее разведение концов коловиики колеса.
Пунктир — «фальшивая» модель. Внизу — отлив-
ка колес с разрезной втулкой для предохране-
ния обода от искривления
Литейные напряж-иня в стельных огяиеках
355
половинки получаются часто с разведенными концами, не совпадающими по дквметру
при сборке. Модель половники колеся нужно делать не полукруглую, а «фальши-
вую», с «отрицательно#» уеадхой (ряс. 223, вверху пунктир).
В очень больших отливках (свыше 10 м диаметром) приходится рездвлять уже
етлявиу на четыре части.
Свободную усадку обода цельного колеса можно получить разрезно! втулкой,
состоящей кек бы нз трех частей. Прн сборке формы во втулку вставляются спе-
циальные песчаные стержни толщиной 25—30 мм. Тогда обод при усадке уже не по-
лучится растянутым но Спицам. Через спады передадутся соответствующие сжимаю-
щие усилия иа пеСчзлые стержня. Из-за своей податливости они дадут возможность
сжаться втулке, рис. 223 —вику.
в)Нзмевенне конструкции отливки для обеспечения одн-
тозой усадки различных частей. Для учяеяьтпеяшг деформация обода
Рис 224. Отливка колеса с диском и кривые изменения темпера-
тур и усадки обода, диска и втулки
можно увеличить количество спиц. Тогда расстояние между ними по окружности
обода уменьшится и соответственно уменьшится величина прогиба. Эта мера пэдлка-
тйаив и ведет к увеличению веса отливки Чтобы те было прогиба обода, а усадка
его была во всех точках одинаковой, яужцо вместо многих спиц сделать диск. Для
облегчения же веса колеса надлежит диск сделать ею возможности меньшего сече-
ния и с отверстиями.
Основной идеей конструкции такого колеса, применимой и для других изде-
лий, является обеспечение одинаковой усадки различных чаете! отливки.
В данном случае связанной системы обод — диск — втулка усадка лиска и втулки
должна быть равла усадие обода. Если она будет меньше, в отливке появятся на-
пряжения (растягивающие в ободе), но искажения круглой формы обода не
проивойдет.
356
Литебпые свойства и вторичная Кристаллизация стали
Исследования формовки и заливки зубчатого колеса с диском с указанием мест
установки пирометров и индикаторов представлены на рнс. 224. При остывании такой
отливин определено изменение температур обода и диска, а также усадки обода
и связанного с ней подъема втулки.
Тонкий лисп, быстро охлаждаясь, достиг температуры превращений Т -• а мень-
ше, чем ви 10 мня., в то время как толстый обод за 3,5 часа. Под влиянием усадки
обод за этот период умень-
фЗЫО
и приподнял втулку на
16,8 мм. Расширен не обода,
при превращении 1 - о, умень-
шает усадку с 11 «о 9 мм
(отрезок кривой CCi) и вызы-
вает оыускннне втулки на
5,4 мм (отрезок кривой ДЛ]).
При дальнейшем остывании
вновь продолжается усадкэ
обода и подъем втулки
Рис. 225. Пример конструкции колеса диаметром Получающаяся равно-
3640 мм с литым зубом и коническим диск, i мерная усадка во всех точках
обода обеспечшает его круг-
лую форму, вследствие чего
дисковая конструкции колес является наилучшей с точки зр«ши геометрии отливки.
Для уменьшения же влжяния возяииающих крупных термических якнряжений сле-
дует применить конструкцию диска коничеспой формы. Подобная конструкция поз-
воляет получать шестерив с литым зубом очень больших размеров, рнс. 225.
3) Меры борьбы с напряжен ними и их последствиями, связанные
с заливкой формы и остыванием отливки. Эти меры, связанные с мед-
ленным и одновременны^ охлаждением различных частей отливки, со
свободной ее усадкой, идентичны мерам борьбы с горячими трещи-
нами Подвод металла в тонкую часть отаивки, рассредоточенное и
равномерное заполнение, ускоренное охлаждение толстых частей, не
связанная литниковая система и т. п. — необходимы для борьбы с на-
пряжениями.
Следует отметить, что наружные холодильники могут сильно на-
греться к моменту охлаждения отливки до температур области упругих
деформаций. Поэтому они не произведут охлаждающего алияния на
толстую часть отливки и будут бесполезны в борьбе с напряжениями.
Их роль ограничится только ускорением затвердевания. Для ускоре-
ния остывания наружные холодильники нужно делать более массив-
ными.
Одновременного и равномерного остывания вовможцо добиться
также подогревом формы и тонких частей отЛявки. Предложенная
Г. И. Грищенко [99J система электроподогрева формы путем закла-
дывания в песок спиралей сопротиаления может иметь применение при
изготовлении единичных ответственных отливок сложной' конфигурации.
Аналогичный эффект может дать применение экзотермических фор-
мовочных смесей вокруг тонких частей отливки, в особенности если эти
смеси начнут разогреваться через известный промежуток времени после
заливки формы.
Возможно бблыпая длительность остывания отливки в форме, за-
медляя остывание, уменьшает напряжения. Однако при конвейерной
и кокильной заливке отливки должны сравнительно быстро выбиваться
после заливки. Также для крупных отливок, в особенности формуемых
в почве, длительное остывание настолько понижает съем с I ж2 фор-
мовочной площади, что требует принятия особых мер для повышения
производительности.
Представление о влиянии длительности остывания на производи-
тельность цеха дают широко применяемые в практике эмпирические
данные: одни сутки остывания на каждые 1,5 т веса отливки. Следо-
вательно, шабот весом 100 т должен остывать в почве, занимая рабо-
стала
Литейные напряжения в Сталиных отливках
357
юн с указанием мест
Прн остывании такой
также усадки обода
(ращений 7 -• а неии-
Под влиянием усадки
этот период умень-
। диаметр ив 11 мм
однял втулку на
I Расширение обода
кащенни 7 -о, умень-
адку с 11 |о 9 *.«
кривей CCi) и вмзы-
сканне втулки на
атрезок кривой ЛА).
ьнейшем остывании
^одолжается усадка
эодъем втулки.
гчаклцансн равно-
адка во всех точках
кпечияает его круг-
у, вследствие чего
□ геометрии отливки,
их напряжений спе-
кай конструкция поэ-
тов, рис. 225.
рнями, связанные
связанные с мед-
астей отливки, со
горячими трещн-
ссредоточенное и
детых частей, не
для борьбы с на-
могут сильно на-
> области упругих
щесо влияния на
с напряжениями,
ния. Для ускоре-
ть более массив-
«можво добиться
си. Предложенная
'мы путем закла-
ъ применение при
•той конфигурации,
атермических фор-
бенности если эти
гок времени после
)вки в форме, за-
при конвейерной
1ыстро выбиваться
1ности формуемых
съем с 1 ж2 фор
р для повышения
вя на производи-
|ике эмпирические
а отливки. Следо-
ве. занимая рабо-
I
чую площадь, Около 6Ь суток Считается, что при таком медленном
остывании, в массивной отливке получатся настолько шалые напряже
ния, что отжиг для их снятия не обязателен
Результаты исследования Д. И Барановым и М В. Липовым хода
остывания различных частей массивного шабота весом 45 т (толщиной
(560 мм) представлены на рис. 226. Изотермы через 1,4.. 20 суток
остывания показывают, что к моменту развития упругих деформаций
в центральной медленно охлаждающейся зоне разница температур
изотермы 1 i суток Изотермы < * Суток Изотермы 9 > суток
Рис 226. Ход остывания к изотермы а 1000° в массивной отлшке шабота не-
сом 45 г из углеродистой стали (0.25% С). Температура начала заливки 1540®,
конца 1460° ио Пвропто
с наружными зонами достигает 180э (см. изотермы через 9 суток).
Подав \2А сутсж 'Остывания температура наружных йон около 160°,
внутренних — около 200°. Скорость остывании понижается до 10_____15°
в сутки Отливку мбжно уже вынуть из почвы — остаточные напряже-
ния в ней все равно определятся только указанной разницей темпера-
тур в 180° 6100].
Эти напряжения не изменились бы и при дальнейшем остывания
в почве в течение еще 5—6 суток, пока температура отливки не пони-
зилась до 100° (по указанным эмпирическим нормам через 30 суток
как раз и следовало ожидать такой температуры).
А
ОТДЕЛ ТРЕТИЙ
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СТАЛИ, ПОДВОДА
МЕТАЛЛА И УСТАНОВКИ ПРИБЫЛЕЙ
НА КАЧЕСТВО ОТЛИВОК'
/
ГЛАВА XII
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СТАЛИ НА ПОЛУЧЕНИЕ ЗДОРОВЫХ
ОТЛИВОК’
Состав стали влияет не только на достижение определенных меха-
нических, специальных физических и химических свойств, но и на
получение здоровой отливки. Поэтому следует учитывать влияние того
или иного элемента или полного состава стали нетолько на физи-
ческие и химические, но и на литейные свойства.
При одинаковом составе стали влияние ее иа качество отливки
может быть различным в зависимости от «происхождения» стали, типа
плавильного агрегата н метода плавки. Например, в отливках нз кис-
лой мартеновской стели не только при одинаковом химическом соста-
ве, но даже прн более высоком содержании серы, чем в основной ста-
ли, труднее образуются горячие трещины.
А. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СТАЛИ НА ЕЕ ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА
1. Влияние состава стали на жидкотекучесть и на первичную
кристаллизацию
Для получения отливок высокого качества важно оценивать влия-
ние состава стали на ее жидкотекучесть.
Углерод алияет на все свойства отливок не только из углеродис-
тых, ко и из легированных марок стали.
Как видно нз стального угла диаграммы состояний сплавов Fe-C,
в стали, в противоположность чугуну, по мере повышения содержания
углерода сверх 0,2% не только понижается температура плааления,
но одновременно увеличивается и интервал затвердевания, рис. 227.
Следовательно, можно предсказать, что практическая жид-
котекучесть стали (при одинаковой температуре заливки)
будет увеличиваться по мере повышения содержа-
ния углерода. По исследованиям К). А. Нехеидзи и Б. Д. Хаха-
лина [19], это повышение жидкотекучести определяется прежде всего
увеличивающимся перегревом стали над ликвидусом, рис 228, д.
Истинная жидкотекучесть, определяемая при одинаковом
перегреве над нулевой жидкотекучестью, должна, по мере повы-
шения содержания улерода, понижаться (рис. 228,6).
1 Построение диаграмм «состав—свойство» имеет большое значение для соот-
ветствующих научных исследований. Впервые в мировой литературе этот метод быт
описпн акад. Н. С. Курнаповым по его работам в Петербургском Политехническом
Институте. Акал А А Бочвар влерные применил 9Т0т метод для широких исследо-
ваний литейных свойств цветных сплавов,
Влияние состава стали на получение здоровых отливок 359
Рнс 227. Стальной угол диаграммы состояний
железо-углерод по современным данным
Из рис. 228, б видно, что по мере увеличения интервала затверде-
вания при повышении содержания углерода, уменьшается перегрев
над ликвидусом. Из-за увеличения интерввла затвердевания истинная
жидкотекучесть будет все больше определяться состоянием металла
при начинающейся криствллизации Кроме того, понижению жидкоте-
кучести способствует развитие дендритной кристаллизации стати, свя-
занное с увеличением интервата затвердевания.
С увеличением перегрева стали алияние интервала затвердевания
уменьшается. Поэтому истинная жидкотекучесть стали при высоком
перегреве уменьшается, по мере повышения содержания углерода, от-
носительно слабее, чем при низком перегреве (см. рис. 228, б — сравне.
ние перегрева, например при 50 и 160°).
В первом приближении к истинной жидкотекучести можно опреде-
лять практическую жидкотекучесть при постоянном небольшом пере-
греве над ликвидусом. Эта жидкотекучесть уже так сильно не умень-
се подводи и ПОтамя па качества отливок
—mumt
лф ппЛиа Л1 •жпг^оша^гглс
оглиеок
Влияние состава стали на получение хааросых отливок
да*
Рис. 228. Жидкотекучесть стали, влияние
шаеуся по мере повышения1 содерщаимя углерода в стали» . а нокляжр-
нием интервала 0,15—-0,50% С (рис. 228» е).
Уменьшение жшшотекучести в этом интервале объясняете* общим
влиянием- углерода и частично перитектическими превращениям* при
первичной кристаллизации по линии НВ диаграммы состояний (см.
рис. 227). Эти превращения определяют двухфазную ^нстадлизацию
^-FeiiS-Fe).
Можно предполагать, «то при такдм характере, кристаллизации
должно, при прочих равных условиях, образовываться больше центров,
че.М при однофазном кристаллизации ^только через Fe-f при 0.0,50%
иди только через Fe-S при С < 0,1 %). Поэтому в интервалу 0,1—6,5% С
с Зйухфазной кристаллизацией возможно, ycKopeij^p затвердевай! ft,
следовательно, уменьшение |^вдкртекуче£.ти. ж а* . • «тО
Дальнейшее повышение со/^ржанн^, углрржа (несмотря «в умень-
шение температуропроводности и абсолютное понижение температуры
плавления при одновременном увеличении интервала затве^щ^рвия)
Продолжает, хотя и в малой, степени, понижать жидкотекучесть* -опре-
деляемую при постоянном церегреве над ликвидусе#. Такой' характер
цбнцжсиия жидкотекучести .приобретается, вероятно, вследствие -зогб,
что ряд благоприятных факторов компенсирует ухудшение жидкотеку-
чести, связанное с общим влиянием повышения содержания углерода
(выше 0,5%). К числу таких благоприятных факторов следует отвести:
однофазную кристаллизацию, уменьшение температуропроводности, по-
нижение температуры плавдедид, увеличение интервала затвердевания.
К числу неблагоприятных факторов относятся увеличение динамиче-
ской вязкости (табл. 5), развитие дендритной кристальная ни
Результаты исследования влияния углерода на жидкотекучесть
ётада rfo данным рнС, 228 Получены при плавке в кислой высокочастот-
ной печи, применения сцн|>ади рнс. 29, 3aviepe температур ^риТгчрсквм
'(шр'ОМетром в Печй, непосредственно перед заливкой металла из -Печи
fe форму'. Как указывалось ранее (стр. 04), нбецдюгцые показатели
жидкотекучести, определяемые различными исследованиями, не ъгогут
быть сравниваемы между собой вследствие различных условий заливки
проб. Эти показатели могут fkjifb сопоставлены с данными другик нссле-
Доййний только приближенно, как это и проводится в дальнейшем
тексте.
Сййзь Получаемых показателей жидкотекучести с соответствую-
щими диаграммами состояний имеет также условное значение Эта
условность объясняется прежде всего тем, что процесс затвердевания
пробег нй жидкотекучесть всегда отличается от условий эксперимен-
тального определения характеристических точек равновесных диаграмм
состояний. Кроме того, эти точки, вследствие трудностей изготовления
чистых сплавов и достижения условий истинного равновесия, у различ-
ных исследЬватОлей получены различными. Например, данные рнс. 227,
отличающиеся от известных ранее и как достоверные включенные
в справочник по металлам на 1947 г., определяют: для точки Н, начала
перитектических превращений, содержание углерода р 0,10% (вместо
обычно принимаемого 0,08%); дЛя точки В, конца перитектических
превращений, 0,50% (вмрсто 0,36; 0,71; 0,55; 0,51% до различным дру
i им исследрвддиям); для ^втектоиддой точку S — 0,80 % к концентра-
ционной точки Е— 2,0% (вместо обычно принимаемых 0,90 я LZO%-
сорудедчтцецно), j,
Таким образам, представленная на рис. 228 связь между каракте*.
рястическими точками стального угла диаграммы состояния жхлезо
углерод р соответствующими показателями жидкотекучести стал* мо-
жеу рассматриваться только, как первое приближение. Также условна
362 Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
нанесена линия нулевой жидкотекучести. Необходимо, наконец, отме-
тить, что стали, исследованные на жидкотекучесть, были спокойными,
содержащими значительно больше кремния, марганца и алюминия, чем
обычно принимается прн исследованиях диаграмм состояний железо —
углерод.
В свете изложенного иногда бывает трудно согласиться с резуль-
татами исследований, дающими точное совпадение показателей жидко-
текучести с соответствующими характеристическими точками диаграмм
состояний, как это видно, например, из исследования Эндрью [17]
рис. 228А.
Достаточно нанести иа рис. 228А диаграмму состояний рис. 227,
чтобы такой яркой связи уже не получилось.
Относительный же характер изменения истинной жидкотекучести
(рис. 228,б) к даже жидкотекучести при постоянном перегреве над лик-
видусом (228, в), так же как н не-
Рис. 228А. Влияние углерода на
жидкотекучесть стали пр* постоян-
ном перегреве над аишгаусом «со-
тндусом
которые абсолютные величины жид-
котекучести почти совпадают в
различных исследованиях рис. 228
и 228А. В общем виде можно на
основе разных исследований [17,
19 и Др.] заключить, что истинная
жидкотекучесть стали заметно
уменьшается при повышении со-
держания углерода до 0,25—0,30%.
а затем меняется сравнительно
мало.
Из данных рис. 228, б и 228, в
видно, что влияние характера кри-
сталлизации относительно сильнее
сказывается на жидкотекучести
прн сравнительно малых перегре-
вах над ликвидусом, чем при боль-
ших.
Представление об истинной
жидкотекучести стали или о жидко-
текучести при постоянном перегре-
ве над ликвидусом в зависимости
от содержания углерода необходи-
мо для того, чтобы определить ус-
ловия заполнения формы и получения здоровой отлнвки при более
Низких абсолютных значениях температуры разливки. Как из-
вестно, при этом облегчаются условия выплавки ствли, ее разливки,
Уменьшается пригар формовочной смеси и другие дефекты отливки.
Однако влияние углерода не на истинную, а на практическую
жидкотекучесть при постоянной температуре за-
ливки, является основным при выборе состава стали для заполняе-
мости формы той нли иной конфигурации.
При данной температуре заливки, зависящей от типа
плавильного агрегата и общих условий разливки, чем выше содер-
жание углерода, тем больше практическая жидкоте-
кучесть.
Поэтому при изготовлении тонкостенных отливок часто применяют
сталь с более высоким содержанием углерода, какое только допускают
остальные требования Качества отливки (механические и др.).
Что касается влияния серы и фосфора, элементов» имеющихся
в любой стали, то следует отметить, что сера ухудшает жидко-
Влияние состава стали на получение здоровых отливал
текучесть Вредное влияние серы проявляется, когда она находится
в виде тугоплавких и мало растворимых включений MnS. Это влияние
усиливается, когда сера находится в виде еще более тугоплавких и еще
менее растворимых сульфидов Al2S» и ZrSz. Однако, вследствие низких
абсолютных содержаний серы в стали для фасонных отливок (обычно
ниже 0,05%), влияние серы на жидкотекучесть не имеет практического
значения
Кремний даже при обычном содержании в стали (0,2—0,4%)
Рнс. 22£». Влияние алюминия, прн обычно!
его присадке до 0.15%. иа жидкотеку-
честь углеродистой стали (определено но
спирали)
увеличивает жидкотекучесть, так как раскисляет и успокаивает металл.
По некоторым исследованиям, достаточно в стали повысить содержа-
ние кремния с 0,25 до 0.40%, чтобы длина спирали увеличилась с <50
до 550 мм при 1550° С и
с 575 до 775 мм прн
1600° С температуры залив-
ки [3].
Фосфор улучша-
ет жидкотекучесть
стали, но это благотвор-
ное влияние используется в
практике очень редко —
только для тонкостенных,
совершенно не ответствен-
ных отливок. Влияние фос
фора проявляется при со-
держании его выше 0,05 %
(рис. 384) Однако при по-
вышенном содержании фос-
фора отливки приобретают недопустимую
хрупкость, если одновремен-
но повышается содержание углерода.
Алюминий при присадке его максимально до 0,15%
повышает жидкотекучесть при низких температурах
заливки, рис. 229 [33].
При высоком перегреве стали положительное влияние алюминия
уже уменьшается и в тем большей степени, чем выше его содержание.
Объяснение заклю-
чается в том, что при
низких температурах
пленка окислов влю-
миния на поверхности
жидкой ствли препят-
ствует прониканию
стали в межзерновые
промежутки формовоч-
ных смесей. При по-
вышении температуры
влияние пленки умень-
шается. Неблагоприят-
ное же влияние взве-
шенных дисперсных
включений окислов и
сульфидов алюминия
еШе сохраняется. В ре-
зультате жидкотеку -
честь стали ухудшает-
ся.
Рис 230. Влияние некоторых легирующих эле-
менте» иа жидкотекучесть стали прн постоян-
ном перегреве в 50° над тиквидусом Благо-
творное влияние меди
Из всех элементов состава стали наиболее благотворно
364
Влияние состава стали, ее подвода и питания на мачесиео отливок
на истинную жидкотекучесть влияет медь, как видно
из сводных данных исследований Эндрью и др {17J, рис 230
Наряду с жидкотекучестью необходимо учитывать влияние состава
стали на получение квнз и изотропного или его противоположно-
сти — транскристаллнзационйого первичного строения отлив-
ки. -Здесь состав стали имеет заметное практическое значение только
при сравнительно высоком содержании легирующих элементов, влияю-
щих обычно на укрупнение строения.
Однако такие элементы, как титан, ванадий, алюминий, цирконий,
азот, сера и др могут образовать чужеродные зародыши кристаллнза
ции. Кальций, натрий и отчасти титан (TiOs) могут образовать понерк-
Рнс. 331 Влюыле присадки 0,5% TJ на умельчение строения
прн первично! кристаллияацин- тбичноЙ- углеродистой стали
(слева — сталь без Ть справа - с Ti)
ностно-активнЫс плевки на растущих в жидкости кристаллитах. Следо-
вательно. элементы, играющие роль модификаторов И
или I рода, умельчают строение при первичной кри-
сталлизация.
Такие же элементы состава стали, как углерод, фосфор, кремний,
марганец, хром, никель и др., уменьшающие теплопроводность стали,
обладающие низкой диффузионной способностью и особенно уветичи-
вающие интервал затвердевания, вызывают крупнокристалличе-
ское дендритное строение.
Большое практическое значение имеет инокуляция стали тита-
ном и ванадием. Например, аустенитная кислотоупорная хромо-
никелевая сталь отличается таким крупным строением даже при невы-
Влияние состава стали на получение здоровых отливок ®в5
соких температурах заливки, что получение массимыя отливок из
этой стали возможно толыо пр» присадке титана. Инокулярукицее
влияние карбида титана Т1С, ведущее к умельчению строения при пер-
вичной кристаллизации, настолько велико, что проявляется д'аже
в углеродистой стали, рис 231,
Аналогичное влияние оказывают карбиды ванадия, что часто опре-
деляет Лрйеадку 0,15—0,25% V в сталь для массивных ответственных
отливок.
2. Влияние состава стали на усадку и связанные с ней
явления в отливках
Общий вид кривой усадки металла дает возможность определить
влияние его состава на образование усадочных раковин, горячих и хо-
лодных трещин в отливках.
Объем и форма усадочных раковин в отливках определяются» на-
пример, не только величиной усадки металла в жидком состоянии
(е®ж ) и при затвердевании ) «. Они определяются также тепдо-
проводностйо металла, его интервалом затвердевания и хврактером
кристаллизации, жидкотекучестью и т д.
Возможность образования горячих трещин .в отливках определяет-
ся не только величиной усадки металла в критическом температурном
интервале ммодредшмшк» после -затвердении^ ио и ««^актером кри-
сталлизации металла, ева тралапроводяастью, прочностью прн указан-
ных температурах й т. д.
Возможность образования холодных трещин определяется не толь-
ко коэфициентом послелерлнтной усадки металла, но и его теплопро-
водностью, структурой, пределом упругости, пластичнсжгъю и т, д.
Поэтому, основываясь только на влиянии состава стали на усадку,
нельзя еще делать полного заключения об образовании усадочных
раковин, горячих и холодных трещин ® отливках. Необходимо учиты-
вать влияние состава стали на другие ее свойства.
Рассматривая общий вид кривой усадки углеродистой стали
и влияние различных элементов, можно отметить, что большинство
элементов, за исключением хрома и алюминия, увеличивают наклон
ветви АВ кривой усадки стали вправо, т. е, увеличивают усадку
жидкой стали; особенно резко влияет углерод (стр, 109). Так
же интенсивно влияет углерод и иа увеличение усадки при
затвердевании (стр, НО).
Таким образом, при одном и том же перегреве над температурой
плавления сталь с более высоким содержанием углерода имеет боль-
шую усадку в жидком состоянии (гг ) и при затвердевании (гг, )
Но объем усадочной раковины зависит не только от коэфидиентд
усадки жидкогр металла Существенно влияет и распредндеине темпе-
ратур по сечению отливки в момент начала ее артвердевания.
Все элементы состава стали i, в частности, углерод значительно
понижают теплопроводность стали (рис. 358), Поэтому, при
одинаковом перегреве над температурой плавления, в отливках" оди-
наковой конфигурации кривая распределения температур по их сече-
нию во время затвердевания будет тем круче, чем выше содержание
углерода в стали. Повышение содержания углерода вы-
зывает увеличение объема усадочной раковины
вследствие своего влиянии как на увеличение уса д к и, ста ДИ
в жидком состоянии и при затвердевании, так и иа
уменьшение те п л о п р о ци д и о с тн стали.
1 Пренебрегая уеадкой твердого металла а период затвердеваЯии отливки
(т гл. V). т
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
Следовательно, при прочих равных условиях, в отливках одинако-
вой конфигурации и при одинаковом перегреве получатся бблыпне
усадочные раковины при заливке сталью с повышенным содержанием
углерода.
Подобным же образом на увеличение усадочных раковин в отлив-
ках влияют другие элементы состава стали. Особенно резко влияют те
элементы, которые не только увеличивают усадку жидкой стали
и уменьшают ее теплопроводность, но требуют еще высокого пере-
грева прн разливке (кремний, хром).
Влияние'состава стали на усадку в твердом состоянии
должно рассматриваться по этапам. Доперлитная усадка в ее верх-
ней части па кривой усадки, т. е. в области высоких температур не-
посредственно после затвердевания, дает известные указания о влия-
нии состава стали на образование горячих трещин. Расширение при
превращении ? — % н послеперлитная усадка дают известные указа-
ния о влиянии состава стали на образование литейных напряжений
и отчасти холодных трещин.
В дополнение к общим данным рис. 59 и 60, в табл. 40 приведено
детальное влияние содержания углерода на величину усадки стали
в твердом состоянии.
Таблица 40
Влияние сихержания углерода на сиободиую лиие!ную
усадку, на доперлитную, расширенна —»я
послеперлитную усадку стали (%) [3]
Рясшире-
Послепер- I Свободная
литная I линейная
усадка, еПп I усадка. «т
Содер-
жание
углерода
Доперлит-
ння
усадка. ;дп
1,52
1*35
Г ,21
0,11
0,11
0,11
О.п
0,09
0.01
1,16
1.08
1,04
1,07
1,05
0,98
2.47
2,4в
2,40
2,18
Повышение содержания углерода уменьшает ли-
нейную усадку стали и особенно доперлитную. Рассмат-
ривая влияние углерода на образование горячих трещин в связи с его
влиянием на усадку, необходимо проанализировать доперлитную усад-
ку, протекающую в критическом интервале 1250—1450° (в зависимости
от температуры солидуса, см. рис. 227).
Значения ег, eJn и — ет-»„ для стали с различным содержанием
углерода по твбл. 40. но в условиях уже не свободной, а слегка
зитудненной усадкн приведены на рис. 232 [3].
Эти значения усадки особо важны для практики, так как в обыч-
ных условиях усадка никогда не получает полного развития вследствие
всегда имеющегося хотя бы небольшого сопротивления формы или
стержней.
Из рнс. 232 видно, что при повышении содержания углерода со-
ответствующая часть доперлитной усадки уменьшается весьма значи-
тельно в критическом интервале температур образования горячих
трещин.
Таким образом, по своему влиянию на доперлитную усадку повы-
шение содержания углерода в стали уменьшает опасность образова-
ния горячих трещин в отливках. Но для полного определения влияния
Влияние состава стали на получение здоровых отливок
Время после замВки,сек.
Рис. 233. Влияние содержавня углерода иа изменение предежя прочности
м удлинения стали во время се остывания в температурном критическом
интервале образования горячих трещин (бруски диаы. 25 мм)
углерода необходимо сопоставить и обобщить его влияние на проч-
ность стали в критическом интервале, на условия ее первичной крис-
таллизации, теплопроводность, загрязнение газовыми и неметалличе-
скими включениями н т. д.
Влияние повышения содержания углерода на предел прочности
и удлинение стели при ее остывании в критическом интервале темпе-
ратур образования горячих трещин представлено иа рис, 233 н 234.
Показателя сь кг>мм2 и % повышаются по мере понижения
температуры при остывании независимо от содержания углерода. При
этом все марки стали, за исключением низкоуглеродистой
не имеют никакой -пластичности в критическом интервале [89]
Казалось бы, что наличие известной пластичности и даже более
высокого предела прочности в низкоуглеродистои стали должно предо-
хранить отливку от образования горячих трещин Это повышение проч-
ности должно компенсировать вредное влияние низкого содержания
углерода на увеличение доперлктной усадки. Поэтому для полной оцен-
Влияияе составе 'Ста
гли, ев подвода и питания на качество отливок
ки влияния содержания углерода на образование гор чих трещин необ-
ходимо установить, какой из двух противоположных факторов имеет
неимущественное значение.
Из рис 235 ви но влияние угле-
рода на ту температуру, при которой
отливка, охлаждающаяся и подверга-
ющаяся растяжению в песчаной фор-
ме непосредственно пЪсле заливки,
получает 5% удлинения при разрыве.
Сталь с содержанием углерода
нижь 0,2% и, особенно, ниже 0,1%
получает 5% удлинения при растяже-
нии yaft при очень высоких темпера-
турах Чем ниже содержание углеро-
да, теи выше эта температура и тем
меньше тот интервал температур от
солидуса, который должна пройти
сталь, имея удлийение менее 5% [89].
Однако величины предела проч-
ности при этих температурах, когда
сталь уже обладает известной пла-
стичностью (удлинение в 5%), про-
должают оставаться еще очень низ-
кими Наярицар, при Dty—0,10% С
и темпер туре наружной коржи отлив-
ки 1405°; з-, = 0,16 — 0,19 а
при 0,42—0,87% Сл температуре на-
ружной корки 1270—11^0'’ 1,75—
1,53 к\/мм-
Такрм образуй, вукХное влияние
низкого содержания уЕЛ£₽одр на уве-
личение усадки компенсируете^ не
. столько йов^цЦнным пределом вроч-
тЬэсти, ^сцрльвдН повышенной. пластич-
ностью иди вырокух температурах. Но
Влияние состоя Стали на Получение здоровых отливок
369
в практике в месте образования горячей трещины ни-
когда не видно следов пластической деформации,
что объясняется сравнительно недостаточной пластичностью даже мяг-
кой стали и тем, что горячие трещины образуются преимущественно
под влиянием срезывающих, а не растягивающих усилий.
Следовательно, несмотря на то, что пластичность стали может ока-
зать большее влияние на предотвращение образования горячих трещин,
чем предел прочности, это свойство в низкоуглеродистой стали практи-
ческого значения не имеет
Важно лишь то, что в стали с низким содержанием углерода
(ниже 0,2%) повышение пластичности и предела прочности наступает
при остывании быстрее при более высоких температурах, чем в ста-
ли с повышенным углеродом (см. рис 233—235), Это вызывает суже-
ние критического интервала температур образования горячих трещин
н является основным преимуществом низкоуглероди-
стой стали. В очень мягкой стали важно также отметить существо-
вание К -твердого раствора прн первичной кристаллизации (см, рис. 227).
Из-за этого очень мягкая сталь при температурах вблизи солидуса
имеет меньшую усадку, чем сталь с повышенным углеродом и преиму-
щественным строением 7 -твердого раствора (рис. 57).
ь результате, очень мягкая сталь, как определяет Н. Б. Гельпе-
рнн [101], менее способна к образованию горячих трещин.
Таким образом можно разрешить противоречивые данные и отве-
тить на очень важный вопрос: в отливках из какой стали, крепкой или
мягкой, при прочих равных условиях, легче образуются горячие тре-
щины. Но ответ должен быть дан только с учетом влияния конфигу-
рации отливки.
В отливках с большим механическим торможением усадки
основным влиянием состава стали является малая ее усадка
в критическом интервате температур образования горячих грещин.
Для таких отливок нужно* Применять сталь с более высоким или
с очень низким содержанием углерода, обла-
дающей в этих условиях меньшей способностью к образованию трещин.
В отливках с большим термическим торможением усадкн,
,с резкими переходами от толстых к тонким частям, основным является
возможно ббльшее сужение и быстрое прохождение кри-
тического интервала температур образования горячих трещин. Для
таких отливок нужно применять сталь, быстро повышающую свою
прочность и пластичность, т. е с сравнительно низким содержанием
углерода
Так же следует определять влияние других элементов состава ста-
ли на образование горячих трещин Прн этом нужно еще учитывать
влияние на краснел ом кость стали таких элементов, как сера,
водород, кислород. Такое же влияние оказывают неметаллические
включения или слабая межкрнсталчитная прочность при крупнокрис-
таллическом строении стали.
В табл. 41 приведены для различных марок стали значения пре-
дела прочности пр> 5% удлинения п соответствующие температуры
наружной корки отливок (бруски диаметром 25 мм подвергнуты рас-
тяжению и разрыву в форме, непосредственно после звлнвки).
В табл. 42 приведены данные о влиянии различных составов низколе-
гированной стали на доперлитную и полную усадку при различной
степени ее торможения (между выступеющими фланцами брусков типа
рис 62 закладывались пружины различной толщины)
24 Зя, и к> \ Hewrtan
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
Значении и f наружной корим отлиаон ил стали, легированно!
хромом, марганцем, никелем, молибденом в иаиадвем при достижении 5%
удлинения во время остывания [MJ
Сгаль Состав стали Предел прочности Темпера- тура наружной корки, °C
% с Другие элементы
Сг—стань . . 0 н 1,25в/в Сг . , 1.45 1315
Мп - • 0,19 2,0% Мп. 1,32 1310
No— • 0,27 0,3% Мо . , 1,71 1265
Мп- Мо- • 0,33 2j0% Mn,0,3%Ko 1.73 1230
Nl 1— • 0,39 1,0% Ni . . . 1275
Гч< 3— » 0,21 3,1% Nt . 0.99 1270
Nl 3- . . 0,42 3,45%Ni . . 1,59 1245
Nl 5— • . . -0,20 5,0% Nl . . 1,60 1270
V — . 0,33 0,25% V . , 1,68 1275
Мартенсишая 0,30 0,15 18% Ст. 2% Nt 18% Сг, 8%N| 1,62 1235
Аустенитная Сг—Nl сталь . 1,98 1230
Из табл. 41 и 42 видно, что легирующие элементы не повыша-
ют заметным образом прочность стали в критическом интервале
образования горячих трещин. Они также не сужают этот интервал
и не переносят его в область более высоких температур. Большинство
элементов увеличивает доперлитную усадку.
Так же. как и углеродистая сталь с таким же содержанием угле-
рода. чегированная стать не обладает
боем* после заливки, cek
Рис. 236. Влияние содержания никеля на нз-
мепенно предела прочности н удлинения ста-
ли во время ее остывания в температурном
критическом интервале образования горячих
теши» (Артски дым. 25 мм)
пластичностью в кри-
тическом интервале Не со-
ставляет исключения, на-
пример, и такая сталь, как
никелевая, обладающая хо-
рошей пластичностью при
нормальных температурах,
рис- 236 [89]
Поэтому, учитывая вли-
яние никеля на некоторое
увеличение усадки в крити-
ческом интервале, на ук-
рупнение строения при пер-
вичной кристаллизации п
на понижение теплопровод-
ности, можно объяснить.
почему отливки из никеле-
вой стали более подверже-
ны горячим трещинам, чем
из углеродистой. Кром влк
нет в этом отношении зна-
чительно стабее никеля
Для полного определения влияния состава стали на ее \ садку и
связанные с ней явления в оттвках необходимо подвергнуть анализу
на ее усадку и
ергнуть анализу
В *
й I
- i
« I
Влияние различных составов низкалегя роминой стали на свободную, слегка и сильно затрудненную усадку по сравнению с обычной
___________________________________ углеродистой сталью с 0,35% С J3]______________________________________________________
Слегка затрудненная усадка, %| Спи ио затрудяск. усадка. %
Сталь
Si
Состав стали, »/п
Мп
С-сталь
Мп - •
NJ-
Сг- .
Мо
Мп—Si-
Nl-Mn —
Мп—Mo-
Мп—V—
Ni—Сг—
35 0,37
О 20.41
0,34 0,41 0 64
0,35 0,35 0.76
О Зе 0 350 72
0,37 0.35 0,77
0,32 0.37 0,65
0,361,15 1,35
0,320,30 1 "*
0,7-1
1,32
........ 1,24 1,46
0,350,301,18 -
0,370,301,41 -
0,37 0,34 1,73 2,88 0,91
Свободная усадка, «/»
Си Мо V
Ni
Сг
1,03
1,39 -
0,22
2.40
2 38
2,37
2.32
2,33
2.27
0,10
0,15
о О
0,26
1,03
1,(6
1,26
1 оя
1,48
0,18
0,27
0,25
0,24
2,34
4,38
2,33
2,32
О 04
О 09
| гол
0,72
1,02
0,96
0,86
0,66
О 96
0,36
0,92
1,12
1,13
0,93
0,99
1,28
<1,90
0,97
оэо
0,93
0.88
0,76
0,57
0,85
О 26
0.28
1.72
1,60
1,78
1.67
[.’г
1 58
1,64
1,58
1,64
0,45
0,53
0.37
0,31
0.21
О 24
0,23
0,26
0,24
0,37
0 39
0,35
0,43
0,30
и-35
О 35
,38
„ _ - _ - IBUHOUdtJ
Влияние различных составов нилколегировапиой стаад на критические точки при охлаждевнн а форме от температуры затвердевания
____________________________________С различной степенью затруднения усадки [3]
Сталь Соегдя стали, U'n- Начало ппегращений у-*я при: Конец превращений у—м при1
С S, Мп N1 Сг Си Мо V свободной усадке *т свов слегка за- трудненной Ет пруж t сильно за- трудненной »т пруж С свободной усадке а т свой слегка за- трудненной ’т пруж Е сильно за трудиенной пруж С
С—сталь 0,35 0,37 0,71 690 660 675 635 570 595
Мп- • 0,32 4,41 1,32 — — — 580 605 605 510 525 535
N1— • 0,34 0,41 0,64 3.0 — — — 600 620 615 545 550 540
С г— 0,35 0,35 0 75 1,03 — — — 670 680 680 615 640 630
Си— » 0,36 0,35 0 7 — 1,39 -— 645 660 670 60.5 600 600
Мо- » 0,37 о.« 0.77 — — — 0,38 565 575 59<> 530 450 470
V— • 0,32 0,37 0,6.5 — — — J 25 690 685 690 620 600 505
Мп —Si— । о,3б 1,16 1,35 — * — 660 645 640 6 0 620 585
Nl-Mn- • 0.32 0,80 1,24 1,4в — — — 610 595 600 560 550 525
Мп Мо— < 0,35 0 30 1 18 — * 3,37 550 550 580 470 440 450
Mn-V— > 0,37 0,80 1 4 — — — ).1Ь 640 6е0 650 605 606 565
М—Сг— • 0,37 0,3» 1,73 2,88 0,91 — — — 430 415 460 440 270 280
I
I
§
I
е
372 Влшишлк^остава стам, ее т&аодл и Питания на качество отливок
влияние соответствующих элементов также на расширение при
превращении 7'— а (—а а), на послеперлитную уса а
к У (»ы. ) в на напряжения и холодные трещины. Для этого следусг
обратиться к соответствующим данным по послеперлитной усадке,
теплопроводности, структурным превращениям, модулю упругости и jvto
ханнческим свойствам
Рассматривая влияние углерода и некоторых легирующих элемен-
тов на усадку стали, можно видеть из данных рис. 232, табл. 42 и 43,
чго при повышении содержания углерода и ряда других элементов
температура превращения т -* а. понижается. При этом величина
расширения —г, а зависит от получаемой структуры стали (наиболь-
шее расширение дает мартенситная).
Величина же свободной послеперлитной усадки сравнительно мало
изменяется при повышении содержания уг юрода. Так же в обычной
углеродистой стали сравнительно мало изменяется ц ветнчина слегка
стесненной послеперлитной усадки (глп м 0.9% для стали е 0.14, 0,15
и 0.43d о С, см. рис. 232).
Однако, несмотря на близкие величины послеперлитной усад-
ки Сепп)»коэФиНиент пбслепёрТпггной усадки (а<Лад ) может
значительно меняться при изменении содержания углерода. При
одинаковой послеперлитной усадке соответствующее сокращение
длины на 1° С (коэфициент усадки) может оказаться большим
у той стали, которая имеет 'Фолее низкую температуру превращения
7 ->х.
Например, для стати с 0,14, 0,35 п 0.45% С послсперлитная усад-
ка %, = 0,9е/*, я температура превращения —а я. с «адова ге’тыь
температура начала развития послеперлитной ус'адюг равна соответ-
ственно 620, 570 и 560°. Следовательно, коэфициент послеперлитной
I 0,9 V 9
усадки будет % жр=бй ’ °'01; 570 ' 0,01 п т 31 Д-1Я с1алн с 0,14% С
он будет яо = 14.5 10^ для стали 0,35 С —15.8 -10*,
с С 16.1 10-= X т. л.
Таким образом, несмотря на то, что повышение содержания угле-
рода мало влияет на общую величину послеперлитной усадки и лишь
незначительно увеличивает коэфициент линейного расширении (стр.ЧЮ),
в практических условиях, из-з^ стесненной усадки и понижения тем-
пературы превращения 7 — я.>коэфициент послеперлитной
усадки заметно увеличивается.
Это означает, что повышение содержания углерода
Ь связи с получаемой послеперлитной усадкой, почти не влияет
на усадочные, но вызывает увеличение термяческлх
напряжений в отливках.
Следовательно, повышение содержания углерода путем различ-
ного влияния на различные этапы полной усадки стали в твердом со-
стоянии благотворно влияет на уменьшение горячих трешин в- отливках
с сильно стесненной усадкой и .вредно влияет на увеличение литейных
напряжений и, в частности, холодных трещин.
Можно применить аналогичный метод определение влияния со-
става стали на усадку' и напряжения к любому легирующему элемен-
ту. Например, на рис. 182 быдд приведена кравая слегка стесненной
усадки марганцемолибденовой j стали по сравнению с углеродистой,
умеющей такое же содержание углерода (0,35% С). Из рис. 182
и табл. 42 и 43 видно, что поСИеперлитная усадка этой стали значи-
тельно меньше, чем углеродистой ( snn — 0.57 против 0,90"/п). Однако
влияние состава стали на полццлни^- здщювык отливок
373
коэфициент послеперлнтной усадки у углеродистой стали ».-Ач> "ъ7о^'
\0,01—15,8 10^, а у маргаяцемолнбденовой 0,01 —12.9 10“°
Следовательно, термические напряжения в отливках из марганце-
молибденовой стали не будут столь уменьшены, как можно было ожи-
дать только нз сравнения величин послеперлигной усадки. Для полной
же оценки влияния марганцемолибденовой стили на возникающие тер-
мические напряжения при данных условиях охлаждения и усадки, н\ж-
но учесть еще меньшую тептопроводность этой стали По сравнению
с углеродистой. Расчет теплопроводности рассматриваемый двух марок
стали по их составу (№ 1 и 10 табл. 42 и 43) по известной формуле
(см. стр. 524) дает соответственно X —9,73 и 8,36 Код/°С см-сек
Можно таким образом считать, что термические напряжения
в отливках одинаковой конфигурации из этих марок стали при данных
условиях охлаждения и усадки будут приблизительно одинаковы.
Как известно из гл. XI, необходимо оценивать влияние состава
стали не только на термические или усадочные, но и иа фазовые на-
пряжения.
Повынгекие содтржавн» углерода во Ьсех марках стали
увеличивает, при прочих равных условиях, размер термиче-
ских и фазовых напряжений в отливках. Основной причиной
увеличения термических напряжений является значительное понижение
теплопроводности и увеличение коэфициента послеперлитной усадки
стали. Основной причиной увеличения фазовых напряжений! прн повы-
шении содержания углерода в отливках является понижение темпера-
туры превращений и повышение прокаливавмости. Это вызывает рез-
кое увеличение объема из-за образования мартенсита.
Данные о величине и распределении соответствующих напряже-
ний по сечению цилиндра диаметром 50 мм из стали с различным со-
держанием углерода (0,025, 0,30 и 0.60% С) представлены на рве. 237 i
В изделии, получившем достаточно равномерную структуру и до-
статочно полную закалку по всему сечению, деформации (длины L
и диаметра D при расточке) изменяются примерно по прямой ливни
(рис. 237, вверху, налево, для стали с 0,6% С). Аналогично изменяются
и осевые напряжения, растягивающие во внутренних вонах отливин
и сжимающие в наружных. Величина возникающих растягивающих
осевых напряжения весьма значительна, достигая 45 кг/мм3. Они пре-
вышают тангенциальные (около 25 кг/мм3) и радиальные напряжения
(15 KelMAfi) f95|
Все эти напряжения являются смешанными термическими н фазо-
выми, причем преобладают термические, так как структура сравни
тельно однородна.
В изделии, вовсе не прокалившемся нз-эа низкого содержания
углерода (0,025е/» С. см. рис. 237—середина), распределение деформа-
ций и напряжений протекает уже ио кривым линиям. Такое распреде-
ление характерно вообще дли всех малозакаливающнхея илн однофаз-
ных марок стали с низким пределом упругости. Происходит пластиче-
ская деформация, как только напряжения превысят предел vnpvr-остн,
и известное выравнивание напряженнй.
Наиботьшими напряжениями я п этом случае являются осевые, но
уже главным образом в нейтральных зонай изделий. Возникшие на-
пряжения, в том Числе тангенциальные и радиальные, являются также
преимущественно термическими
В изделий !же, полечившем частичную закалку по- сечению (напри-
мер, из стали с 03% С1. — деформации;. а следовательно н напряже-
ния, уже наибольшие. Распределение ’напряжений протека т частично
871
Влияние состава стам, ее подвода н питания на качество отливок
прямолинейно, частично криволинейно. Максимум растягивающих осе-
вых напряжений несколько смещен от центра изделия, но все же на-
ходится в центральной его зоне, достигая значений около 50 кг мм*.
Ряс. 237. Влияние углерода (0,025, 0,30 в 0.60% С) иа величину и рас-
пределение напряжений (осевых, тангенциальных и радиальных) о ци-
линдре диви 50 мм. закаленном в воде с 850-
В наружной зоне изделия, имеющем структуру, близкую к мартен-гик
развиваются еще более крупные сжимающие осевые напряжения, до
80 кг/мм9.
Таким образом, в изделии из стали, получившем неполную за-
калку и имеющем неравномерную структуру по сечению,
оказываются наибольшие напряжения, суммарные, термиче-
ские и фазовые.
В изделиях из стати с 0,6% и 0,025% С фазовые напряжения оди-
наково малы, так как обе стали имеют равномерную структуру, хотя
и различную (в стали с 0,6% С почти чисто мартенситную, вследствие
полной закалки, в стали с 0,025% С ферритную, вследствие полной
непрокаливаемости). При этом в стали с 0,6% СТ термические напря-
жения крупнее, чем в стали с 0,025% С, что объясняется ее меньшей
теплопроводностью и большим пределом упругости.
Если бы сталь с 0,6% С получила, из-за соответствующих условий
охлаждения, неполную прокаливаемость и неоднородное строение,
то уже в ней образовались бы наибольшие напряжения не только
по сравнению со сталью с 0,026% С, но и с 0,3% С.
Как известно из гл. X и XI, влияние состава стали на характер
превращений и фазовые напряжения настолько велико, что может пре-
обладать над влиянием состава на термические напряжения.
Влияние никеля на температуру и интервал превращений в стали
и связанное с этим влияние никеля на величину и распределение на-
пряжений представлены на рис. 238 и 239 [95(
Из рнс 238 видно, как по мере повышения содержания никеля,
превращение * а переходит все более в область низких темпера-
тур. так что при 15% Ni превращение начинается уже всего при 220'"
Влияние состава стали но получение ядороеых отливок
375
и кончается при +40°. При этом также увеличивается температурный
интервал превращений. Очевидно, что в этих условиях с ловышегием
содержания никеля могут преобладать фазовые напряжения. Они опре-
делят общий характер распреде-
ления напряжений в оттнвке. не-
смотря на то, что термические
напряжения будут также велики
(никель яаляется элементом,
сильно уменьшающим теплопро-
водность стали).
При содержании Нйкетя вы-
ше 25,6*^ температура превра-
щений — я ниже нуля. При
закалке получается чисто аусте-
нитное строение стали. Следоза-
тсльно, никаких фазовых превра-
щении такая сталь не получит, и
Напряжения будут только терми-
ческими.
Это влияние нике |я, выпи-
вающее нарастание и преоблада-
ние фазовых напряжений над
термическими, затем термиче-
ских над фазовыми, видно из
рис. 239 Величина и распреде-
ление напряжений изменяются
под влиянием фатов-jx при со-
держании никеля выше 4,5*?
(рис. 239, б и в). Они затем
вновь изменяются под влиянием
уже чисто термических напряже-
ний выше 25,0^ Ni (рис. 239,
Ocetlbie тангенциалЬнЬ1е padubobttbie
* СтилЬ с f5.7%X, (Bj I
ОсрВй/е тангенциилЬньи радиолЬч
Столь сЦ07- ffr(a)
СтолЬ с Ы % Xitoj
'О 5 fOtSU
Рис. 239. Влияние содержания никеля на величину и распределение
термических и фазовых напряжение (осевых, тякг9нцад1ьных н радиаль-
ных) р стальных цилиндрах диак 50 мм после, закалка в воде с 900°
Аналогичное влияние на фазовые нВДрЙИеюгя мо?ут Оказать эле-
менты, вызывающие дисперсионное твердение, например.
СталЬ С 26.9%М1<!)
376 Влияние состава стали, подвада и питание на качество отливок
медь. Только размер соответствующих напряжений будет, конечно, на-
много меньше. Выделение дисперсной фазы при нагреве отливки на
400—550° не вызывает столь значительного изменения объема, как
превращение у j а., и происходит более равномерно по всему сече-
нию. Кроме того, вследствие нагрева на 400—550° с последующим мед-
ленным охлаждением, в отливке не возникают термические напряжения.
3. Влияние состава стали на газовые и неметаллические
включения и на ликвацию в отливках
Правильно выбранный состав и правильно выплавленная сталь
должны обеспечить получение здоровой отливки не только по малому
загрязнению ее включениями по «вине металла». Такая стиль ® извест-
ной степени уменьшает и образование соответствующих включений по
«вине формы», а также развитие ликвации в отливках.
Газовые включения в отливках по «вине металла» зависят прежде
всего от состава стали. Необходимо обеспечить либо связывание газов
в такие прочные химические соединения, которые были бы устойчивыми
при температурах жидкой стали, либо добиться минимального их содер-
жания. Последнее положение имеет особо большое значение для водо-
рода как газа, наиболее трудно связываемого и вместе с тем больше
других газов вызывающего образование газовых раковин в отливках по
вине «еталла н формы.
До сид пор не разработаны еще простые методы определения со-
держания водорода в стали, но известно, что каждые 0,0001 % водо-
рода оказывают вредное влияние и что содержание его должно быть
менее 0,001% (см. стр. 190). Введение кремния и алюминия, кроме
марганца, а также еще более сильных, раскислителей и успокоителей
(титана, циркония, ванадия, кальция до 0,10—0,15%) обеспечивает бо-
тее полное раскисление стали, некоторое связывание водорода и прак-
тически полное связывание азота в устойчивые химические соединения.
Весьма велико также влияние состава и метода выплавки стали
на количество, форму и расположение неметаллических включений,
а следовательно на литейные, фпз^чадкне я химические свойства
стали и отливок.
Характерные силикатные включения, выделенные из основной
и кислой мартеновской стали, а также из стали малого бессемерова-
ния представлены на рцс. 240. Все включения шарфой фцомы (в жВД-
Рис. 240 Неметаллические включения са.икагов в- литий стали;
А — мелкие я огипико» мартоиовекой стили (»у» SiO,; МиО- 3’.« F«OT.
В -- боле* крупные в квело* мартеви^иоД (зу'. SiO«: 3№ FeO т АЬОг
1W» МвО). В — еще более крупные в жье,-гоЯ ЙгдМО Инлрги Снсое.чнроЬлния
<5Я/. SIO.; »’А FeO: fi,S4'« MnOl. '' НЮ
ком состоянии в расплавлеяной стали) и в кислой стали л-.чше коагу-
лировать. чем в основной. Объясняется это более низкой температурой
плавления силикатных щыючений^ебраэующнхен в кислой стали (срав-
нение анализов, см. рис. 240). В сдали яадрго бздееыеровавня полу-
Влияние .«остов» стали иа поядченил здоровых отливок
3,11
ясны наиболее хорошо коагулированные включения, несмотря на иден-
тичный состав силикатов, вследствие более высокой температуры этой
стали [Ю2].
В основной стали также можно достичь благоприятную форму
н размер силикатных включений, если получить их надлежащий состав
в отношении содержаний S1O2, МпО и FeO. Для этого нужно произво-
дить раскисление ферросилицием после ферромарганца и иметь, при
минимальном содержании кремния в стали для фасонных отливок
в 0,2%, около 0,8%Мп. Получающиеся при этом более крупные вклю-
чения имеют большую скорость всплывания, что определяет получение
более чистой стали. Так, например, по исследованиям Герти и др. [103|.
средняя скорость всплывания включений, богатых S1O2, образовавших-
ся сразу после раскисления стачи только ферросилицием, колеблется
от 0,35 до 1,35 мм/сек. Средняя же скорость всплывания силикатных
включении, содержащих известное количество МпО и полученных при
раскислении ферросилицием после ферромарганца, колеблется от 2,43
до 3,82 мм/сек.
Часто неправильно считают, что пониженная пластичность литой
стали, окончательно раскисленной и успокоенной алюминием, получает-
ся из-за включений свободного А12О3 вследствие присадки влюмнния
больше 0,02—0,03%. Современные исследования доказали, что литая
сталь может иметь много А1?О3 (точнее алюминатов) н, вместе с тем,
достаточно хорошую пластичность, если только сульфиды име-
ют благоприятную форму и расположение.
Характерные типы включений в отливке из обычной углеродистой
стали, выплавленной в кислой дуговой электропечи при присадке 0.02,
0,05 и 0,10% Al, представлены на рнс. 241. На рис. 241, а сталь без
присадки алюминия — включения силикатов (темносерые) и сульфидов
(светлосерые) имеют округленную форму и беспорядочно разбросаны.
Пластичность стали очень хороша ( —55%) [104].
На рис. 241.6 та же стать после присадки 0.02% А1. Силикатные
и сульфидные включения получились уже немного более остроуголь-
ными, но сохранили разбросанное расположение. Пластичность стали
ествется такой же хорошей (’=55%). На рис. 241, в та же сталь
после присадки 0,05% АГ. Силикатные включения почти отсутствуют.
Имеются только сульфиды, расположенные по границам зерен в виде
цепочки эвтектических включений, и отдельные случайные скопления
AI12O3. Как указывалось ранее, этот тип включений наиболее вреден
для свойств стали — плвстнчность ее резко падает ( = 22.5%).
На рис. 241. г та же сталь после присадки 0.10% АГ. Форма и рас-
положение включений подверглись резкому изменению по сравнению
с рис. 241,е. Включения также состоят преимущественно из сульфидов
и А1?О3, но сульфиды уже большего размера и отстоят дальше друг
от друга. Хотя они попрежнему расположены по границам зерен, но
не в виде непрерывной пленки илн цепочки Кроме того, часть вклю-
чений AljOi находится -совдтестно с сульфидом алюминия AlsSs- Плас-
тичность стали значительно повышается по сравнению со сталью, име-
ющей включения типа рис 241,в Но она все же не достигает пластич-
ности стали, имеющей! включения типа рис. 241, о или 241, б
(<=41%). Рассмотренные характерные для стальных отливок типы
включений получаются при различной присадке алюминия и в извест-
ной мере дополняют приведенные ранее данные (см стр. 228. 229).
Алюминий, как известно является очень сильным раскислителем,
восстанавливающим не только FeO. ио и другие окислы (МпО, ЯОг).
Поэтому при присадке алюминия меняется прежде всего характер си-
ликатных включений Они содержат уже меньше FeO и МпО вслед-
ствие замены их А1?О
Влияние состава стаей, с с подвода и литания на качество отливок
Рис. 241. Характерные типы включений силикатов, сульфидов и оксидов
в отливках нз обычкой угтероднстой стали (0,26% С, 0,40% Si, 0,80;; Мп
н 0,03—0.04% S) в влияние присадки алюминии иа состав, форму и рас
положение включений:
Фкды. плат-тичКистъ хирошвд; в — 0,В2"< Д1, цстроугольвъхе, Оеспитхядочнч pa i
Одоиаииые « плик»ты и сульфиды, плштичность хорошая: в — О.Ю*/, Д|, гр -
0,U№ Al, крупные сульфиды, отдстьпо рас.
Без присадки алюминия силикаты и сульфиды имеют глобулярную
форму и беспорядочное распределение, так как они мало растворимы
в стали и сравнительно рано выделяются в процессе ее затвердевания
(рис. 241,0). Прн небольшой присадке алюминия (около 0.02%) про-
исходит только частичное изменение состава силикатов (понижение
содержания FeO н МпО в них). Поэтому растворимость силикатов
п сульфидов остается попрежнему низкой, и они. сравнительно
рано выделяясь, сохраняют беспорядочное распределение(рнс 241,61
Пластичность стали в обоих случаях остается высокой.
При увеличении же количества алюминия (например, до 04)5%)
происходит уже сильное восстановление FeO и МпО в силикатах. Как
известно, растворимость сульфидов в хорошо раскис тенном мета т те.
почти без ГеО и МпО, возрастает (стр. 227). Следовательяо. при при-
Ялиянае состава стали на получение здоровяк отливок 37$
садке алюминия, раскисляющего стачь, сульфиды, вследствие уве-
личения растворимости, поздно выделяются при затвердевании стали.
Они поэтому располагаются в виде включений эвтектического типа
пи границам зерен и резко ухудшают пластичность
(рис. 241,е).
При дальнейшем увеличении присадки алюминия (например, до
0,1 %) уже происходит не только полное раскисление стали, но образо-
вание, за счет избыточного алюминия, сульфидов AI2S3. Эти сульфиды
встречаются в стали в чистом виде реже, чем в виде сложных соедине-
ний с Fe'^ и MnS. Тем не менее растворимость всех этих сульфидов
значительно меньшая, чем сложных сульфидов типа (FeS) „ (MnSK -
Поэтому выделение ALS3 из жидкой стали происходит раньше суль-
фидов (Fe, Mn)S. Сульфиды AI2S3 имеют более крупные размеры, угло-
ватую форму, расположены дальше друг о г друга и уже значительно
0.01 OrfZ ио 0 1 И'.’
О стадий иП'О'липия %
1
£
I
меньше понижают пластич-
ность, чем цепочкообразные
сульфиды марганца ц же те-
за по границам зерен
Очевидно, что. чем
больше алюминия, тем боль-
ше может образоваться
А1г5з- С увеличением же ко-
личества A12Ss включения
получаются мельче. Кро-
ме того, они могут рвс-
творять в себе Л|5О3 и тто-'
нижать, благодаря это-
му. количество свободного
AJ2O3, вредно влияющего
на пластичность стали (ее
ли только включения АГЛЭ-,
не диспергированы в такой
степени, чтобы счужнть чу-
жеродными зародышами
кристаллизации).
Таким образом, алюми-
ний может вредно вли-
ять на пластичность
стали, образуя вклю-
чения АкОя и п о в Ы- рнс 242. Количественное влияние алюминия па
ш а я растворимость пластичность тптой углеродистой стали (2—
сульфидов железа н 03% €} в зависимости от содержания серы
марганца, которые (кислая элеитродуговая старь}
впоследствии выпа-
дают по границам зерен Эти вредное влияние алюминия
проявляется особо резко только при таком его критическом со-
держании, когда возможно полное раскисление стали, во не обра-
зуются сульфиды Al2Sa. При этом критическом содержании алюминия
растворимость сульфидов железа и марганца максимальна. Прн содер-
жании же алюминия сверх критического вредное влия-
ние его мало существенно.
Очевидно, что рассматриваемое вредное влияние алюминия будет
сильно проявляться только при известном содержании серы (сульфи-
дов железа и марганца) в стали. Критическая же концентрация алю-
миния будет непосредственно зависеть от содержания серы.
380 Влияние, состава , тали, ее подводе л питания на качество отливок
Из представленных на рис. 242 результатов исследований [1041
видно, что присадка 0.02—0.04% А1 является критической, наиболее
резко понижающей пластичность исследованной кислой литой углеро-
дистой. стали (0,2—4),3°/о С), при 0.06—0,04% S. При 0.02—0,03% "
вредное влияние на пластичность любой присадки алюминия не имело
уже в конкретных условиях исследования практического значения.
Для использования изложенных положений в практике необходимо
при расчете присадки алюминия учитывать конфигурацию отливки (ско-
рость ее затвердевания), степень окисленности и метод выптавки стали.
Цоэтрму соответствующее критическое содержание алюминия может
быть различным в зависимости от условий производства
При содержании алюминия ниже критического металл может
быть не полностью раскислен и
Совероканио cepix. %
Рмс 243. Влияние плюмияия и
серы на пластичность латой уг-
леродистой (0.20% С).--осиввивй
мартеновской Аалн
успокоен, что приведет к образованию
газовых раковин в отливке. Поэтому,
несмотря на получающуюся низкую
растворимость сульфидов, благопри-
ятные форму и расположение вклю-
чений. малую присадку влюминня ни-
же критической можно применять
очень редко (хорошо предварительно
раскисленный металл, низкое содержа**
ние газов в нем).
Присадка алюминия, определяе-
мая для полного раскисления и успо-
коения стали по вышеприведенной
формуле Si + 4Ali = 0,35 до 0,45%,
может при сравнительно высоком со-
держании серы (0.04—0,06%) ока-
заться критической (окото 0,03—
0.05%), понижающей пластичность
стали. Поэтому при повышенном со-
держании серы, так же как и водо-
рода. необходимо принимать верхние
пределы свободного члена формулы
(0,55—0,60%). При содержании 02—
0,3% Si необходимая присадка алю
пиния определится в этих условиях в 0,075—0,10%.
Однако при содержании S>0.04% и это повышенное количество
алюминия не всегда может обеспечить хорошую пластичность, что по-
казали исследованные В-Кармазиным и Г. Пухнаревичем [106] 679 та
вок из основной мартеновской печи, рис. 243.
Таблица 44
Завнсммост» между размером включений (сред-
нее ио 6 волям зрения под микроскопом) и по-
казателем относительного сужения в углероди-
стой литой стали (1061
Ipynna
М
Средняя длина
цепочкообрааных
включений, мм
Сужение 4<
°/о
1*
Ш
0.20
IV
32-28
28—24
24—20
20
О
Влияние состава стили на получение идоровше отливом
381
По характеру расположения включений, видных на шлифе, Г Ми-
хеев предложил (106[ приближенно оценить показатели пластичности
стали (табл. 44).
В последнее время на одном из заводов произведено исследование
отливок углеродистой стали из 10000 плавок кислой электродvtoboh
печи. Отливки (около 1,5 млн. штук) заливались в сырые формы.
В сталь присаживалось от 0,1 до 0,15% А1.
Исследованием установлено, что -в отливках совершенно не появ-
[ялась ситовидная пористость и что механические свойства отличались
ровными и высокими показателями, с очень редкими выпадами по низ-
зй пластичности. К недостаткам такой высокой присадки алюминия
Рис. 244. Влияние количества суль-
фидов на удлинение литой углеро-
дистой стали малого бессемероввния
(количество включений, видимое
в поле зреягя шлифа при увеличе-
нии у 500)
Рис. 245. Хорошо коагули-
рованные силикатные вклю-
чения в основной марте-
новской стали, раскислен
ной ферромарганцем в печи
и силикокзтьцнем иа жало-
бе (12,0% Ге/),, 6J)% AJA
и силикаты 70%). XJ00
исследование относит необходимость установки несколько бблыпнх
размеров прибылен из-за ббльшей усадочной раковины (меныпая газо-
вая пористость) и трудность получения крупного зерна, необходимого
для отливок, работающих при повышенных температурах. Очевидно,
что известным недостатком является и более высокая стоимость шихт.
Необходимо подчеркнуть, что хотя форма и расположение включе-
ний оказывают решающее влияние на истинную пластичность литой
стали, количество этих включении также имеет большое значение.
Так, например, увеличение абсолютного количества сульфидов вы-
зывает сравнительно незначительное понижение удлинения, но более
резкое 'уменьшение таких чувствительных показателей истинной пла-
стичности и вязкости, как сужение и ударная вязкость.
При очень высоком содержании серы и очень большом количестве
сульфидов, характерном для стали малого бессемерования, может рез-
ко понижаться уже н удлинение стали, как показало исследование
С. Скордзиевского {107], рис. 244.
Оценка количества и температуры плааления неметаллических
включений важна не только из-за влияния включений на механи-
ческие свойства отливки, но и на литейные свойства стали.
Напрймер, основная мартеновская сталь, раскисленная после фер-
ромарганца присадкой силикокальция вместо ферросилиция, имеет
лучшие механические свойства и лучшую жидкотекучесть. Присадка
силикокальция обеспечивает получение более коагулированных, легко-
плавких включений (ер. рнс. 245 с рис 240).
Ллиянти Состава стали, ле подвода и питания на качество отливок
Большое же количество сульфидов остроугольной формы, находя-
щихся в твердом состоянии в жидкой стали, вызывает ухудшение жид-
котекучести (например, включений типа MnS) (рис. 246) [102J.
Аналогичное влияние оказывают включения хромистых шпинелей
В хромистой стали. Однако, как указывалось ранее (стр. 51), доста-
точно повысить содержание кремния выше 0.6%, чтобы вызвать резкое
Рис. 246. Неметаллические
включения MnS. выделенные
из углеродистой -стали вблнзл
усадочной раковины 40-г
слитка. X 200
Рис 247. Легкоплавкие включе-
ния «хромистого стекла» в титон
высоколепированной хромистой
стали (0,08% С. 24,4% Сг).
имеющей Повышенное «одержа-
ние кремния (0,88%). X 1100
увеличение жидкотекучести хромистой стали нз-за образования легко-
лтавкиж шаровидных включений «хромистого стекла», рис 247.
Рассматривая влияние состава стали на ликвацию, следует от-
метить, что элементами, вызывающими наибольшее развитие зональ-
ной ликвации в отливках, яаляются углерод, фосфор и сера. Марганец,
кремний, никель, хром и другие легирующие элементы дают неболь-
шую зональную ликвацию. В исследованиях даже крупных отчивок.
вплоть до слитков 170 т, неоднородность содержаний кремния и мар-
ганца была обнаружена не выше 10Jo. -В более мелких отливках зо-
нальная ликвация кремния и марганца практически отсутствует, что
иллюстрируется данными табл. 45 даже для такой сравнительно тол-
стостенной отливки, как якорь.
Таблица 48
Неоднородность содержаний углерод», фосфора, серы, марганца
и кремния в отливке якоря (в %)
1 те мл лет Н тенпает 111 темгпет| IV томнее;
Угжерод
Марганец
Кремний -
Фосфор .
Серо .
0.16
0.70
0.40
0.03
0,05
0.20
0,65
0,40
0,04
0.05
О.Н
0,67
0,40
0,03
0,03
0,23
0,68
0.40
0,03
0,03
0,11
0,68
(1,40
0,03
0.03
0,24
0,65
0.10
0,11
U,65
0,10
0,04
0,04
0.23
0,68
0,40
0.05
0,05
0.08
O.Ofl
Влияшв состава стали ка получение эдордвых otAaeOt!
Алюминий в стали благодаря влиянию его на образование
сульфидов должен уменьшать ликвацию серы в отлив-
ках, табл. 46.
Таблица 46
Влияние алюминия н» уменьшение неоднородности m-м ликвации серы (и %)
Присадка | Верхняя часть отливки
алюминия
0,4)00
0,006
0,017
0.028
край
середина | центр
Средняя част»,
отливки
Нижняя часть
отливки
край
сере-
дина
0,641
0,038
0,038
0,043
0,078
0,070
0,045
0,045
0,072
0.065
0,039
0,040
0,030
0,028
0,045
0,044
0,064
0,061
0,052
0,050
0,061
0,061
0,058
0,043
0,028
0,035
0,014
0,042
0,037 к).О38
0,034 Ю.032
0,039 0,035
U.038 0.0U1
х | i
Из таблицы видно» что по мерс повышения содержания алюминия
.уменьшается неоднородность в содержании серы настолько сильно, что
уже при 0,028% А1 содержание серы колебалось фактически от 0,036
до 0,045%, в то время как без алюминия оно колебалось от 0,038 до
tl.OZSX.
Сильно уменьшают ликвацию серы также такие элементы, как
кальций, цирконий, титан и церий. Особенно благоприятно влияет
титан. Например, по некоторым исследованиям в средней зоне отливки
нз стали с 0,25% Ti было найдено 0,029% S по сравнению с 0,026% S
в наружной зоне. В такой же отливке с присадкой алюминия было
определено содержание 0,043 и 0,024% S соответственно
Б. ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСЛОВИИ
ПОЛУЧЕНИЯ ЗДОРОВОЙ ОТЛНВКИ
Легирование стали для отливок производится со специальной
целью повышения того или иного их свойства. Поэтому иногда легиро-
ванную сталь называют также специальной сталью.
Однако достигнуть некоторых специальных свойств стальных отли-
вок можно изменением содержания углерода и в обычной угле-
родистой стали. В этих случаях подобную, например, низко- или вы
сокоуглеродистую сталь следует также считать специальной
стялью, хотя и не легированной.
Легирование стали для отливок проводится:
1) для обеспечения условий получения здоровой отливки
(плотной, без раковин, трещин и т. п.), не ставя целью повышение
специальных свойств отливки;
2) для достижения уже определенных высоких показателей соот-
ветствующих механических, специальных физических
или химических свойств, одновременно обеспечивая условия
получения здоровой отливки.
Обычно основной целью легирования является дости-
жение опредетемных специальных свойств отливок. Легирование
же для получения здоровой отливки проводится лишь дополнительно
к основному.
Улучшение строения при первичной кристаллизации стали в от-
ливке данной конфигурации н данной скорости охлаждения означает,
прежде всего, получение мелкозернистого и, по возможности, квази-
ЗЯ4 Йлилнме состава стали, м тдеода а писания -на качество отливок
изотропного строения. С этой целью легирование производится элемен-
тами, могущими быть модификаторами. Модифицирование, рассматри-
ваемое как легирование, производится «гомеопатическими» дозами,
и количество такого легирующего элемента (модификатора) редко
достигает даже 0,2—0,3% (например, алюминия. кальция, ванадия, ти-
тана. циркония, бора и т. п.).
При достижении мелкозернистого строения обычно повышаются
механические свойства отливок. Поэтому легирование с целью улуч-
шения строения прн первичной кристаллизации не только облегчает
условия получения здоровой отливки, но усиливает алияние основного
легирования, преследующего получение высоких механических свойств
отливок. Кроме того, получение определенного размера зерна в отлив-
ке связано с его влиянием на ряд других физических и химических
свойств отливок (обрабатываемость, магнитные свойства, сопротивле-
ние коррозии и т. п.)
В некоторых случаях, в ущерб условиям получения здоровой от-
ливки, необходимо иметь в ней крупное зерно (например, для работы
при высоких температурах, для уменьшения ваттных потерь, для луч-
шей износоустойчивости и т. п.)_ В этих условиях не следует допус-
кать чрезмерно сильного умельчення строения отливки.
Обычно основной целью легирования является получение опреде-
ленного состава и строения при вторичной кристаллизации
стали для достижения тех или иных показателей различных физиче-
ских свойств.
Это легирование ведется с целью получения определенного строе-
ния н формы различных структурных составляющих и проявляется
наиболее полно только после термической обработки отливок. При
этом наиболее эффективной операцией такой термической обработки
для легированных отливок с высокими Механическими свойствами
является закалка, а конечной операцией отпуск.
Для получения здоровой отладки необходимо, чтобы ско-
рость охлаждения при закалке и -после отпуска была
по возможности меньшей, а температура отпуска по
возможности выше. Чем сложнее и массивнее отливка, тем боль-
ше опасность возникновения термических и фазовых напряжений я тем
более строго необходимо выдержать указанные условия.
Следовательно, для отливок одной из целей легирования должно
быть получение низкой критической скорости закалки.
Необходимо в некоторых случаях для отливок сложной конфигурации
рбеспечить далее при сравнительно .медленном охлаждении (например,
в масле вместо воды или на воздухе вместо масла) равномерно зака-
ленное на -мартенсит строение. Кроме того, такое легирование должно
обеспечить известную устойчивость структуры при отпу-
ске (например, медленную коагуляцию карбидов при длите тьной вы-
держке при высоких температурах отпуска). Необходимо также обес-
печить низкую чувствительность к хрупкости отпуска при медленном
охлаждении попе высокого отпуска.
Легирование стали для достижения высоких механических
(статических и динамических) свойств отливок является одной из наи-
более распространенных и важных целей легирования и получения
отливок из так называемой конструкционной стачи.
Легирование металла для отливок из конструкционной стали пре-
следует две основные цели: доЬтиженпе высоких механических
свойств и достижение равномерности этих свойств.
При этом необходимо учитывать, что легирование металла для от-
ливок теснейшим образом связано с их конфигурацией, с сопряжением
tqhkiix и толстых частей в них н тому подобными особенностями, опре-
Влияние состава стали на получение здоровых отливок
385
деляющими допустимую скорость охлаждения без возникновения круп-
ных напряжений.
Получение высоких механических свойств металла и одновременно
больших остаточных напряжений в отливке ликвидирует все преиму-
щества свойств металла и его легирования. Поэтому указанные две
основные цели легирования конструкционной стали имеют смысл толь-
ко в условиях одновременного получения здоровой
отливки.
Первая цель — достижение высоких показателей сопротивления
деформациям при сохранении известной высокой пластичности метал-
ла— может быть достигнута легированием элементами, как дающими
твердый раствор в феррите, так и образующими карбиды.
Промежуточное влияние оказывают элементы, выделившиеся из
твердого раствора в виде мельчайших, блокирующих частичек в про-
цессах дисперсионного твердения.
Элементы, образующие карбиды (хром, молибден, ванадий, воль-
фрам и т. п.), тем сильнее повышают сопротивление деформациям, чем
дисперснее и равномернее распределены их карбиды. При одинаковом
пределе прочности металл со специальными округленными карбидами
имеет лучшую пластичность, чем с острыми карбидами строения це-
ментита.
В зависимости от требуемых условиями службы отливок показа-
телей механических свойств, легирование ведется: либо элементами,
образующими карбиды (высокое сопротивление деформациям, сравни-
тельно низкая пластичность), либо элементами, образующими твердый
раствор (сравнительно меньшее сопротивление деформациям, сравни-
тельно лучшая пластичность). Легирование часто ведется и комбиниро-
ванно, двумя типами элементов, с преобладающим значением одного
из них, в зависимости от условий-
Легирование элементами, образующими твердый раствор, может
проводиться в стали с низким содержанием углерода. Легирование
карбид образующими элементами требует известного количества угле-
рода.
Такие элементы, как хром или марганец, дающие твердый раствор
в феррите и одновременно карбиды, будут различно влиять на меха-
нические свойства в зависимости от содержания углерода. При низком
содержании углерода эти элементы будут растворены в феррите. При
более высоком содержании углерода они будут образовывать специ-
альные карбиды.
Особое внимание при выборе легирующих элементов необходимо
также уделить экономическим условиям легирования и, в частности,
замене дорогостоящих легирующих элементов (например, никеля, мо-
либдена, вольфрама).
Достижение второй цели предопределяет равномерность соответ-
ствующих свойств не только по сечению, но и в различных частях
отливки.
Для получения одних и тех же показателей свойств, определяе-
мых на образцах из пробных планок или из тонких отливок, можно
выбрать много тысяч различных составов стали, варьируя содержанки-
ми и типом легирующих элементов, содержанием углерода и скоростью
охлаждения в процессах термической обработки.
Однако для достижения этих свойств в любом сечении массивных
отливок задача значительно усложняется. Отлнвки из конструкционной
стали обычно подвергаются «улучшению», т. е. закалке с высоким от-
пуском на сорбит, для того чтобы максимально повысить механические
свойства металла.
25 Эак 70. то А ТГмотпэв
38й Влияние светлел Стали, вв подвода и витания на качество отливок
При закалке даже массивных отливок в мягких средах наружные
части их имеют всегда большую скорость охлаждения. В наружных
частях массивных отливок скорость
Ряс. 248. Влияние легироаания на рав-
номерность механических свойств (от-
ношение1, ол-100%) в отливках с раз-
личной толщиаоё стевок после улуч-
шения (закалка в масле с 850° н от-
пуск прн 600° С)
охлаждения часто может быть
даже выше критической скоро-
сти закатки (получается мартен-
сит). Во внутренних же зонах
из-за скорости охлаждения мень-
ше критической будет получать-
ся троостит или даже перлит.
В результате, при последующем
отпуске в наружных частях от-
ливки получится сорбит с высо-
ким отношением 3® 100, соот-
ветствующим конструкционному
материалу, а во внутренних ча-
стях отливки получится перлит
с более низким отношением
100, рис. 248 f 108].
Как видно из рис. 248, не все
конструкционные стали ДЭ'-OT не-
значительное понижение з, зй - Ю0
и равномерные механические
свойства по всему сечению мас-
сивной ОТЛИВКи с толщиной сте-
нок в 200 мм.
В данном случае хорошая
равномерность свойств достигну-
та только в стали а и b за счет
сильного повышения содержаний
никели и хрома, что обусловило
резкое понижение критической скорости закалки.
Как втно из схемы рис. 249, соответствующие легирующие эле-
менты, как карбидобразующие (хром, вольфрам), так и образующие
твердый раствор с ферри-
том (никель), могут 'кльно
понижать критическую ci. >-
рость закалки. В отчив-
ках определенной толщины
сплошная прокачиваемость
(равномерное мартенсит-
ное строение) может полу-
читься при охлаждении уже
на воздухе Прн этом в от-
ливках из углеродистой ичи
неправильно легированной
стали даже при резкой за-
калке в воде получается
неполная прока тпваемость
(только на участке от края
до точки Л, рис. 249)
? Воздух
То же Вял низнолегиро-
Венноа стали с 2*/, Ni ц
Крото есла» с порасти
закалки углеродистой
стали
То жр для среВнелооиро-
Ванной стали с <_5%М
g _________ — ,— _
<5 Край pg СереВте. Враи
Рис. 249. Схема вчижння ле!эдовалия не про-
калива^мость и твердость во сечению став-
ки при закалке в воде (1), ₽ масле (2) и на
воздухе (3}
р о в а и и е конструкцион-
ной стали ДЛЯ отливок дол-
жно производиться таким
образом, чтобы критическая с к о рость закалки с о ответ-
иближви состава-екав m гкт^вкил^здороп^’ИПшлол:- 38?
динных зон самой массивной части отливки. Эта ско-
рость устанавливается в завичимоетм от конфигурации »т*арки. состава
металла и имеющихся производственных средств термической обра
ботки.
В табл. 47 приведены сйЬДнвзё данные Об1 бТноситеЬгьиом влиянии
основных легирующих элементов на некоторые физически? и химиче-
ский свойства с!али (за исключением кислотоупорной и инструмен-
тальной).
Оценка влияния элементов производится в урбл. 47 по 10-балль-
ной системе: от нуля до 4-10 при благоприятном влиянии и от нуля до
1Q при вредном влиянии н<а рассматриваемое свойство. .Следова-
тельно, надлежит считать -|-10—сильное, -]-5 — умеренное и +2 —
слабое благоприятное влияние, Нуль — малое или вовсе отсутствую-
щее влияние, —10 — сильное, —5 — умеренное и —3 — слабое вредное
влияние. j
Если влияние оцениваемого элемента пропорционально его содер-
жанию, в табл. 47 стоит индекс П. Если влияние появляется уже при
малом содержании — индекс М, При большом—Б и при среднем —С.
Классификация стали для отливок
Для достижения высоких механических свойств необходимо полу-
чить равномерное сорбитное строение отливки. Легированная сталь,
принадлежащая к перлитному классу, получает перлитную структуру
при сравнительно медленном охлаждении (на воздухе). Она может дать
сорбитную структуру в отливке лишь после нормальной закалки с соот-
ветствующим высоким отпуском. v
Сталь перлитного класса имеет обычно содержание ведущего леги-
рующего элемента не выше 2%.
Таким образом, легированную сталь с содержанием ведущего леги-
рующего элемента до 2% или суммарным содержанием всех легирую-
щих элементов 3—5% предлагается называть низколегирован-
ной и применять в качестве конструкционного материала.
При содержании ведущего легирующего элемента от 2 до 5% или
суммарном до 8—10%, как следует из большинства тройных диаграмм
Состояний (Fe— Me—С), сталь принадлежит уже не к перлитному,
а к мартенсито-трооститному классу (получает мартененто-трооститд-
вое строение (при охлаждении на воздухе).
Только в виде исключения сталь с таким содержанием легирующих
элементов принадлежит к ферритному классу (например, ферритная
однофазная кремнистая сталь для магнитио-мягких отливок).
Эти стали, как правило, обладают очень высокими механическими
свойствами, равномерными в самых массивных отливках (низкая кри-
тическая скорость закалки). Они одновременно обладают и какими-
либо специальными физическими или химическими свойствами (высокий
сопротивлением износу, сопротивлением коррозии в некоторых мало-
агрессивных средах и т. п.).
Таким образом, легированную сталь мартенсито-трооститного клас-
са (или в виде исключения ферритного) с содержанием .ведущего леги-
рующего элемента выше 2 и до 5%, а суммарным до 8-10% предла-
гается называть средне легированной сталью. Ее применяют
в качестве конструкционного материала с некоторыми с п е-
ци мышки -физ мчесТки'м и или х и м ич ес'кй'м й свойствами.1
При содержанки ведущего легирующего элемента выше 5%, а сум-
марного выше 8—10%, соответствующие -стали принадлежат уже к мар-
тенситному, аустенитному или ферритному классу.
25*
Влияние состава стали, ев подвода и питшшя *а
отливок
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
Сравнительная оценка влияния легирующих элементов в стали
Углерод Углерод Марганец Фосфор Сера
0.10 но 0.30% 0,30 до О,850/о 0,25 до 2,00% до 0,15% до 0,30%
Прокаливаемое™ нли распределение твердости по сечению
+ .П + 2„ + .оп +зл -2П
Искажение размеров прн закалке в воде и отпуске
— 2 П — — 6 П °
Сопротивление пластическим деформациям;
+ <П + .ОП + 5 П +5П -,п
Пластичность прн комнатное температуре;
— 2 П - е п + ЗС — 6 п — 4 П
Вязкость; сталь занижена и отпущена
° -п 0 — 5 п -зп
Вязкость пр — 45®С; пластичность—45®С:
- 3 п - 10 п + 2С 8 П -4П
Сопротивление ползучести лрм температурах до S10°C.
f 2t - 3 П ° °
Механическая обрабатываемость;
.2П -2П -СП + 6П 1- 10 п 1
Механическая обрабатываемость; сталь вакалена
° -2В + <п
Сопротивление наносу;
+ ЗБ + ,оп + ” ° °
Коррозия в атмосфере воздуха или
- 3 п -Б„ 0 + 10 п - 10 п
Свярмзлемость; восприимчивость к мелким трещинам при заварке
..on ‘°" -7Б -зп
Влияние состава стам на лалучвки здоровых отливок
389
на некоторые физические н кинические свойства
Т блица 47
Кремний Хром Них ель Молибден Ванадий Медь
до 2.00% до 1,000/в до 5,00% до 0,75% до 0,25% до 1,00%
после закалки (основа: сталь с 0,70 до 1,00% Мп)
+ 2 М | + 7 М | 4-10б|+7М^+5С
(восприимчивость к трещинам прн закалке)
-ЗП 7П I —7Б -5П — 2С
Сталь нормализованная
+ 7П | +5П | +5П | 4-5П | О
сталь нормализованная
+ 2Б [ — 6 П | +Юм|+5п|+5П
на твердость до 300 по Бривелю
О | о | +«П | + 2 М | +1 П
сталь нормализованная
— 1Б | —ВЛ | Н-10м|4-5м|ч-5М
стали отпущены при более высоких температурах
О | 4- 1 II | о | + 10 п |
сталь нормализованная
— 2 П | — 2 П | — 10 П | — 5 11 | О
и отпущена на твердость до 300 по Брниелю
— 2 П | О | — 10 П | — 4 П | О
сталь нормализованная
слабокоррозионныл жидкостях
+ 2П О +6Б + 2 П I О
без предварительного или последующего подогрет
— 5 Б I — 10 Б — 10 Б - 10 Б
+ <?)
- (?)
4- 1 П
+ 2 П
4 (?)
+ (?)
- (?)
- (?)
+ 1 п
+ 10 м
— 4 Б
+ 1 п
390 Влияние ееетааа «тала, вв подводами мгта»-на качество отлило к
Сталь мартенситного класса имеет ограниченное применение для
отливок вследствие трудросд^й механической обработки их (очень вы-
сокая твердость) и трудностей получения здоровой отливки (очень
большие напряжения).
- Сталь аустенитного илн ферритного класса, как правило, уже не
обладает столь высокими механическими свойствами, как конструк-
ционная. Она н не должна по экономическим соображениям приме-
няться в качестве конструкционного материала. Она применяется
только благодаря каким-либо специальным физическим или химиче-
ским свойствам (немагнитность, высокое сопротивление износу, со-
противление коррозии, огнестойкость и т. п.).
Таким образом, легированную сталь аустенитного или ферритного
класса (а в виде исключения и (мартенситного) с содержанием веду-
щего легирующего элемента выше 5% и суммарного содержания всех
легирующих элементов выше 8—10% предлагается называть высоко-
легированной. Ее рекомендуется применять только в качестве
материала с особыми специальными физическими или химическими
свойствами.
Г.,В. Акимов и К- И. Акимова в «Единой спецификации метал-
лических (материалов машиностроения Союза ССР» 1 предлагают ввести
две группы: легированная сталь (низко- и среднстегированная) с об-
щим содержанием легирующих элементов до 10% и высоколегирбван-
над сталь с общим содержанием легирующих элементов более 10%.
Для фасонных отливок американская классификация легированной
стали предлагает также две группы: низколегированной стали (с об-
щим содержанием легирующих элементов менее 8%) и высоко тегиро-
ванной Сталине .общим содержанием легирующих элементов выше 8%)2
Для систематического изучения свойств стальных отливок методи-
чески более удобно придерживаться классификации, учитывающем
преимущественное влияние ведущего легирующего элемента и указан-
ной выше разбивки на низко-, средне- и вы со-кол егиро вап-
н у) ю сталь.
Такой метод изложения данные о свойстяа^ (ЗДо- / отливрк у
принят в ।дальнейшем (главы ‘ХУ— XX) 1
1 Изд. Академии щук СССР. 1945, 7.
2 Справочник по стальному литью {Steel Castings Handbook), вад. AFA. 19+1. IB.
ГЛАВА XI!I
ПОДВОД МЕТАЛЛА В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ
Правильный процесс формовки и заливки, включающий подвод
металла и установку прибылей, наряду с правильно выбранным соста-
вом и методами плавки стали н термической обработки отливки опре-
деляют основные условия -получения здорового изделия
Неправильная заливка ведет к получению негодной отливки даже
при наилучших качествах стали. Надлежащие же условия заливки, при
соблюдении правильных методов подвода металла и установки при
былей, правильных способов изготовления формы, позволяют часто по-
лучать достаточно здоровые отливки даже из стали пониженного ка-
чества (например, с некоторой красноломкостью из за повышенного
содержания серы).
Выбрав метод заливки, необходимо расположить литники, выпоры
н прибыли так, чтобы форма заполнялась с требуемой скоростью;
включения и газы получали возможность удалиться; отливка имела бы
свободную усадку и охлаждалась по возможности равномерно, либо
части ее, Позже затвердевающие, получали бы. надлежащее питание
металлом для заполнения усадочных раковин.
Кроме этих основных условий получения здоровой отливки, необ-
ходимо еще учитывать дополнительные условия — установку жеребеек,
удобства формовки и сборки, производительность труда и съем с пло-
щади, минимальный вес литников и прибылей, легкую возможность их
удаления, правильные черновые размеры и минимальные припуски на
обработку, выбивку отлпвки после заливки для борьбы с горячими
трещинами и т. п.
Не всегда удается найти наилучшее сочетание всех перечисленных
технических и экономических условий получения здоровых отливок.
Но выбираемый способ заливки должен прежде йсе-
го обеспечить получение качественного изделия.
Подвод металла играет важнейшую роль при получении здоровой
отливки. Следует отметить, что до 30% всего брака получается из-за
неправильного подвода металла Часто упускают из виду, что основное
назначение литниковой системы для стальных отливок заключается
не только в обеспечении хорошей заполняемости формы за определен-
ный промежуток времени, т. е. с определенной скоростью. Литниковая
система должна обеспечить правильный режим охлаждения от-
ливки, ее одновременное или направленное затверде-
вание.
При эгом приходится выбирать между противоположным влиянием
режима охлаждения на образование усадочных раковин или горячих
и холодных трещин. Например, направленное затвердевание необхо-
димо для концентрации усадочных раковин в прибылях отливки, но,
в противоположность одновременному затвердеванию способствует об-
разованию горячих трещин и напряжений.
Кроме того, конструкция литниковой системы должна обеспечить
такие условия заполнения, которые не вызвали бы разрушения песчд-
392 Влияние состава стали, ев подвода и питания на качество отливок
пых или разъедания металлических стенок формы и застревания раз-
личных включений в отливках. Литниковая система не должна также
препятствовать усадке и создавать в отливках из легированной стали
зон крупнокристаллического строения.
Выбор расположения литниковой системы очень сложен
н связан преимущественно с условиями получения здоровой отливки.
Определение же размеров литниковой системы связано ие только
с этими условиями, но и с экономическими соображениями по расходу
металла.
Расположение литниковой системы, определяемое многооб-
разными физическими и химическими свойствами металла и формы,
а также различной конструкцией отливки и формы, — расчету не под-
дается. Также эмпирически, хотя и по некоторый формулам, опреде-
ляется скорость заполнения формы в зависимости от местных условий.
Размеры же литниковой системы, через которую непрерывно
протекает металл во время заполнения формы, могут уже легче опре-
деляться в зависимости от соответствующих гидродинамических
и теплофизических законов. Но и этот расчет представляет много
трудностей вследствие сложного определения сопротивлений потоку
в различных элементах литниковой системы (чаши, стояк, литниковые
ходы, питатели). Кроме того, протекающая жидкость отличается пере-
менной вязкостью вследствие различной и меняющейся во время дви-
жения температуры и загрязненности включениями.
Для качества стальных отливок правильное определение рас-
положения литниковой системы более важно, чем определение
ее размеров
А. РАСПОЛОЖЕНИЕ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ
1. Общие условия подачи металла из ковша и подвода его
к отливке
При расположении литниковой системы необходимо в первую
очередь учитывать условия подачи стали из ковша.
Для мелких отливок, в особенности заливаемых в сырые формы,
следует производить заливку через носок ковша «о избежание полу-
чения брака по засорам и искажению размеров отливки. При приме-
нении кислой стали и для средних по весу отливок заливку ведут пре-
имущественно также через носок ковша.
Заливка стопорным устройством через дно ковша применяется
обычно для основной стали и крупных отливок. Недостатком заливки
через носок ковша является попадание шлака в форму и быстрое ос-
тывание стали в ковше Главными недостатками стопорных ковшей
являются: большой металлостатический напор, ограниченное число
открытий стопором и возможность аварий разливки, трудность обес-
печить соответствие между количеством вытекающей из ковша стали
и пропускной способностью литниковой системы.
Подающийся из ковша металл принимается первым элементом
литниковой системы: чашей или воронкой Литниковые чаши
применяются обычно при заливке через носок ковша Их конструкции
часто не отличаются от применяемых в производстве чугунного литья,
Вследстаие быстрого остывания в чаше н уменьшения способности
стали заполнять форму (см. стр. 67) для стального литья широко
применяются простые воронки. Изготовление таких воронок проще,
чем чаш Потери металла в виде скрапа также меньше.
Расположение и конструкция последующих элементов литниковой
системы (стояков, литниковых ходов и питателей) должны для полу-
чения здоровой отливки обеспечить-
JMeo& металла « стЛмш; цпиюхок
ЭИ
1) хорошее и равномерное заполнение формы при спокойном,
с минимальной турбулентностью, движении металла, без засасывания
возкуха, без разрушения стенок литниковых каналов, стержней
и формы;
2) задержку различных включений перед полостью формы,
образующей собственно отливку;
3) поступление н подъем металла в форме с определенной
допустимой линейной скоростью, во избежание застревания газовых
пузырей в отливке, механического и термического разрушения стенок
формы;
4) требуемое строение при первичной кристаллизации и ок и о-
временное или направленное затвердевание отливки
с последующим, по возможности, равномерным ее остыванием
и с®ободной усадкой.
2. Подвод металла для обеспечения одновременного
или направленного затвердевания отливки
Для обеспечения одновременною затвердевания прирезка питате-
лей обычно производится.-
1) в тонкие части отливки;
2) в отдельные части отливки таким образом, чтобы ее заполне-
ние было симметричным и равномерным.
Прирезка питателей в тонкие части отливки способствует их за-
полнению даже при холодном металле. Кроме того, протекающий че-
рез тонкие сечения металл, идущий на заполнение всей отлники. разо-
гревает эти сечения. Условия их затвердевания приближаются к усло-
виям затвердевания более толстых частей отливки, в которые посту-
пает более холодный металл.
Достигаемое равномерное и одновременное затвертевание и осты-
вание уменьшает размер концентрированной усадочной раковины, об-
разование горячих трещин и напряжений. Это преимущество особенно
сказывается при сравнительно небольшой разнице в сечениях отливки.
Поэтому во многих случаях практики его нельзя полностью исполь-
зовать.
Необходимыми условиями правильного подвода металла даже
в отливках с направленным затвердеванием должны быть симме-
тричность и равномерность заполнения формы.
Только в небольших отливках и простой конфигурации можно для
усиления эффективности направленного затвердевания прирезать один
питатель в прибыль. Получится несимметричное и неравномерное за-
полнение, которое уже нельзя допустить в более сложной отливке. Для
таких отливок, даже при обеспечении направленного затвердевания,
необходимо прирезать уже два и более питателей.
Необходимо отметвть, что при одновременном затвердевании от-
ливки уменьшается ичи даже вовсе ликвидируется концентрированная
усадочная раковина. Развиваются местные, мелкие разбросанные уса-
дочные раковины. В зонах же подвода металла, вследствие получаю-
щегося местного разогрева, образуются местные усадочные раковины
в отливках со средней толщиной стенок или местные усадочные рых-
лости в отливках тонкостенных.
Даже 0 отливках толщиной меньше iO мм, в особенности прн
валивке легированной сталью, в зонах подвода металла развивается
усадочная рыхлость. Влияние подвода металла на образование мест-
ных усадочных раковин или рыхлостей подтверждается рядом иссле-
дований.
Различные методы заливки тонких плит 315X215X8 мм из боек
иевой никелехромистой стали и результаты просвечивания их (работы
394
Влияние состава тли, ев подвода и питачия на качество отливок
J50, Различные методы залипни и качество тонки? длит броаевоЯ
стал^ определенное оросэечиааииеы (10-балльная система оценив леЛек
гов); усадочная рыхюсп. (УР); обведенные белые
"i”?'." ’«а» игр»™™ - гаражи™ со.т
сильным дефектом, баллы 4 5. 6; перекрестная штриховка — поражение
аябольшимн дефектами, баллы 7, 8, 9 и 10
ымйачр г
Подвод металла cF СТ<ами>С1 сЯлиВКах
895
во время войны по изготовлению защитных щитков [109]) представле-
ны на рис. 250-
Самый простой и экономичный метод заливки по принципу одно-
временного затнердеваяия, без прибыли, с одним широким питателем
по длинной стороне тонкой плиты, устанавливаемой под заливку на-
клонно (Z = )0n), представлен на рис. 250,а.
При просвечивании отливка оказалась вся пораженной усадоч-
ными рыхлостями, особенно сильно у места подвода металла н в зонах
замедленного затвердевания, — рис. 250. а справа.
При установке одной простой прибыли и более рассредоточение" i
подводе 'металла, через два питателя, усадочная рыхлость несколько
уменьшилась по интенсивности развития (исчезли баллы 7 и 8). Од-
нако, рыхлость осталась по зонам подвода металла и замедленного
затвердевания у прибыли (см. рис. 250,6).
Установка двух прибылей с заливкой через два питателя еще
более уменьшила интенсивность развития усадочной рыхлости и пло-
щадь поражения отливки (см. рис. 250,в).
Надо полагать, что установка четырех прибылей дала бы сравни-
тетьно здоровую отливку. Но излишний расход металла и, главное,
стоимость удаления таких прибылей удорожают отливку. Прибыли
в отливках плит для облегчения удаления их огнерезкой или строж-
кой (всегда следует ставить на торцах. Наиболее благоприятные усло-
вия изготовления плит создаются обычно при вертикальной заливке.
Соответствующие методы заливки рассматриваются ниже. Здесь
же уместно напомнить» чго даже при вертикальной заливке тонкой
плиты, имеющей равную толщину стенок, нельзя избежать усадочной
рыхлости (см. рис. 89, 90). Интенсивность развития и расположения
Зон подобной рыхлости в плите толщиной 10 мм представлены в усло-
виях, наиболее благоприятных для направленного затвердевания (вер-
тикальная заливка — подвод металла сверху через прибыли), — на
рис. 250, г.
Разогревающее влияние питателей в отливках с более толстыми
стенками сказывается не только в образовании местных усадочных
раковин вместо рыхлости, ио и в дефектах отливки, обусловленных
неравномерностью ее о t т.н ванн я.
Для иллюстрации можно рассмотреть условии заливки топочной рамы паровоза,
рис? 251. Нал ь • дым' » им Отл , i i леи I прибыль. По ходу металла пита-
телен уста ношены толп шамотняе кирпичи («лещадка») дли предохранения стенок
Рис 251. Различные варианты подвода металла и установки прибылей
(черные) в от.’иике топочной рамы паровоза
формы от размывания п, следовательно, отливки от засоров. Для обеспечения сво-
бодной усадки и. следовательно, предотвращения горячих трещин в отливке, внут-
ренняя полость формы сделана пустой- Имеется только минимальный слой форме-
396
Влияние состава стали, • подвода и питания на качество отливок
вечной смеси. Питатели наполняют форму симметрично с обеих сторон. Так как
отливка имеет ровную, одинаковую толщину стенок, то, казалось бы, безразличие,
в каком месте ее прирезать питатели.
При сверлении рамы против питателей вскрывались небольшие местные усадоч-
ные оаковнни (рнс. 251, а. зачернены). При выбивке одной из отливок сиазу после
заливки было ясно видно, что в зонах подвода металла (пунктир рис. 251. о) осты-
вание происходит медленнее, чем в углах. Разогревающее влияние питателей сказа-
лось боле» интенсивным, чем прибылей.
Добавочные прибыли пад этими зонами обеспечивали питание образующихся
местных усадочных раковин (см. рнс. 251,6). Следовательно, отливку, несмотря на
равномерную и одинаковую толщину стенок, пришлось заливать по лритгаяпу напра-
вленного. а не одновременного затвердевания. Так как установка добавочных прибы-
лей н их последующее удаление были связаны с известными затратами, то из эко-
номических соображений казалось выгодным осуществить принцип направленного
затвердевания путем прирезки литников под угловые прибыли (см рнс. 251, в—г).
Несмотря на одинаковую толщину стенок, разогревающее влияние питателей
я углозых прибылей было настолько велико, что в период всего остывания отливки
существовала большая разиика температур по ее длине Остывание отливки с оди-
наковой толшивой стенок уподоблялось по существу остыванию отливки с различ-
ными сечениями. Разница в скорости охлаждения не была столь велик», чтобы
вызвать образование горячих трещин, тем более, что отливке была обеспечена воз-
можность свободной усадки. Но получаемая неравномерность остывания оказалась
достаточной дтя топ>. чтобы в результате возникающих напряжений проясходпао
искажение размеров (нскрнваепне) отливки.
Расходы на правку каждой отливки оказались выше экономив от уменьшения
количествн прибылей. Попытки экономии прибылей у зоны питателей также не дали
еффекта. вследствие образования местных усадочных раковин (см. рпс. 251, в).
Из рассмотренных четырех вариантов заливки лучшим оказался вариант
рнс. 251.6. обеспечивающий чяквидашпо местных усадочных раковин н сочета-
ние направче иного затвердевайпя с малой неравномерностью
последующего остывания.
В отливках более сложной конфигурации подвод металла, усили-
вающий эффект направленного затвердевании, может вызвать уже
образование не только напряжений, но н горячих трещин. В массив-
ных отливках концентрированный подвод металла в одно даже тонкое
место также вызовет горячую трещину.
Подвод металла в нижнюю часть формы сектора судового руля,
(большая оттнвка — почвенная формовка) представлен на рнс. 242.
Подвод металла осуществлен в сравнительно тонкие места отливки
в две коайние стойки сектора для одновременного и сим-м₽тпичного
наполнения формы. Одна из отливок была залита с прирезкой питате-
лей только в соеднюю стойку (пунктир на рис 252). Эта отливка дала
сквозную горячую трещину во всю толщину стойки как раз в месте
подвода металла. Получился слишком большой местный разогрев.
Аналогичные условия образования горячих трещин создаются при
концентрированном подводе металла под прибыль массивной от-
ливки. рис 253.
При заливке якорей для плотов с подводом металла в веретено
и лапы (более тонкие части отливки, равномерное заполнение) полу-
чались здоровые отливки. Заливка же одним питателем непосред-
ственно под прибыль в месте сочленения веретена с лапами (пунктир
рис. 253) вызывала горячую трещину в получающемся мощном терми-
ческом узле
Вместе с тем для всех отливок, не имеюшнх резких темпе-
ратурных градиентов прн направленном затверде-
вании, наиболее правильным, является подвод ме-
талла в прибыли. При такой прирезке питателей экономится ме-
талл на литниковую систему и прибыли, ликвидируется опасность по-
явления -местных усадочных раковин и рыхлости. Горячие трещины при
соблюдении необходимых мероприятий (свободная усадка, правильная
конструкция отливки, усадочные ребра) не образуются Возникающие
же напряжения но достигают опасной величины
тао отливок
Подвод металла в стальных отливках 397
их сторон. Так как
сь бы, безразлично,
дне местные усадоч-
отливок сразу после
ip рис. 251,а) осты-
гне питателей оказа-
ние образующихся
Гтлнвку, несмотря на
по Принципу наппа-
добявочяых прибы-
иратами то нз эко-
пип иапранлелного
(см. рис. 251, в-^г).
влияние питателей
остывания ОТЛИВКИ
лее отливки с оаи-
отливки с разлкч-
толь велике, чтобы
нла обеспечена воз-
стывання оказалась
меняй происходило
ыии от уменьшения
рлей также не дали
М. рис, 2al.fi).
оказался вариант
ковнп и с о ч е т а-
виомерно с тью
металла, усили-
вызвать уже
эдин. В массив-
но даже тонкое
судового руля.
!н на рис. 252.
места отливки
симметричного
шрезкой пнтате-
та отливка лаза
сак раз в месте
itfi разогрев.
создаются пои
массивной от-
мла в веретено
полнение) полу-
елем непосоед-
алами (пунктир
мощном терми-
з к н х темпе-
м з а тверд е-
подвод м е-
экономится ме-
я опасность по-
ие трещины прн
цка. правильная
Возникающие
I
Рис. 252. Правильный к велравкльный (пунктир) г-"“вд металл? q отливке
сектора судового руля
Подобные методы заливки в проверенных на практике процессах
представлены для катка (сырая форма, заливка через носок ковша)
и гнезда горловины (кокильная форма, заливка через дно ковша),
рис. 254 и 255.
Расположение литниковой системы для обеспечения одновремен-
ного или направленного затвердевания должно определяться для каж-
дой отливки отдельно, в зависимости от условий образования усадоч-
ных раковин, горячих трещин и напряжений.
При небольших температурных градиентах по сечениям охлажда-
ющейся отливки и необходимости проведения мероприятий по борьбе
с усадочными раковинами подвод металла должен усили-
вать эффект направленного затвердевания. Питатели
следует прирезать в более толстые части отливки, изд которыми уста-
новлены прибыли, или непосредстпепно в прибыли.
влияние состава стаей, ев подвода и питаний па качество отливок
Рис. 254 Про । лнвки катка в
форму через ип<ев »-»•».
чашу и питат< »ь в п
Разрез по fl-В
Рис 2а5. Процесс заливки рнезда горловины четырехместнио
кокильную форму через дно ковша, литниковую воронку и пита-
теля в прибыль
hoteod Металла e стальных омиеках
399
Пщпа/пели,
Рнс. 256. Равномерный
подвод металла через
6 питателей, интенсивность
развития и зоны располо-
жения усадочной рыхлости
в плите 900 X 900 X 20 мм
из хромомолибденовой стали
При небольших температурных градиентах и необходимости про-
ведения мероприятий по борьбе с горячими трещинами и на-
пряжениями подвод металла должен облегчать условия
одновременного затвердевания отливки. Питатели сле-
дует прирезать в тонкие части отливки и во многих точках (см.
рис. 194, 195).
При очень больших температурных градиентах подвод металла
должен (за исключением залникн с последующим переворотом формы)
уменьшить разницу в скоростях охлаж-
дения различных частей отливки.
При этом, так же, как и для обеспе-
чения одновременного затвердевания, за-
полнение таких отливок должно произ-
водиться через более тонкие сечения,
равномерно и симметрично.
Равномерный и симметричный под-
вод металла должен строго соблюдать-
ся в отливках тонкостенных, больших
габаритов. В таких отливках питатели
нужно прирезать возможно ближе один
к другому и в разных местах. Это обе-
спечит симметричное и равномерное на-
полнение формы, уменьшение местных
разогревов и сравнительно близкие ско-
рости охлаждения и усадки.
При равномерном подводе металла
даже в плите с ровной толщиной сте-
нок уменьшается развитие усадочной
рыхлости, рнс. 256.
Практическое осуществление равно-
мерности и симметричности заполнения
очень крупной отливки видно из рис. 257.
Рабочее колесо гидротурбины диаметром 3500 мм и высотой
2000 мм состоит из верхнего диска, лопаток н нижнего обода. Толщина
диска до 350 мм, лопагок 50 мм и обода 140 мм. Общий вес отливки
из никелехромистой стали 35 т. Двухъярусная кольцевая литниковая
система принимает металл в нижнее кольцо через два стояка. Из этого
кольца, выполненного шамотными сифонными кирпичами диаметром
100 мм, металл через 14 рожковых питателей диаметром 75 мм по-
дается тангенциально в нижинй обод, равномерно его заполняя.
Из обода металл равномерно, через 14 лопаток (каждая лопатка
выполнялась отдельным стержнем, вся формовка в стержнях в почве)
подымается в диск. В эгог момент начинает работать верхнее кольцо
литниковой системы, подавая дополнительно металл 4 питателями.
Значение равномерного заполнения для возможно более равномер-
ного остывания очень длинной и сравнительно тонкостенной отливки,
форштевня ледокола, видно из данных Г. И. Цыганенко [1Ю], рис. 258.
Отливка заливалась с 9 прибылями через 2 стояка и 18 питате-
лей, прирезанных равномерно по всей длине форштевня — рис. 258.
” Для предотвращения горячих трещин проведен ряд дополнитель-
ных мероприятий: у устья питателей сделаны усадочные ребра, также
как и в местах сочленения полок. В Х-образных, наиболее опасных
сочленениях установлены наружные и внутренние холодильники. Сде-
ланы специальные пустотелые прокладки между ребрами и коксовые
подушки между прибылями для обеспечения свободной усадки.
Рис. 257 Вид еобраияой формы рабочего колеса гидротурбина, Равномерное и симметричное заполнение черте 18 лйтугс-
лей двухярусной литиях свой системы (Ново-КраматорсхиЯ завах им. Стлжгна)
5
св
I
й
8
1
3
Г
!
I
!
§
I
о
с
|
I
усадочноерёбра ЕОкюю»
Рис 258. Равиолюртъый подвод металла и устаяэтви прибылей в очень длин-
ной (15 ай ‘г сравнительно тонкостенной отливке форгатеиня. Внизу спра-
в ч эскиз части отнимем с двумя питателями, усадочными ребрами, «зруж
ными и ввутрежниии хмшиопшиками (завод им Марта)
Рис. 259. Равномерный и симметрич-
ный подвод метал та в отливке корпусе
турбииы типа рис. 2 (в отливке, еще
не очищенной, видны приварившиеся
наружные холодильники, у юженные с
промежутками, в которых прорезаны
тонкие усадочные ребра)
Чрезвычайно важное значение имеет равномерность подвода так-
же в крупных кокильных отливках или в крупных отливках, работаю-
щих под дае пением, рис. 259.
В разработанных совет-
скими металлургами-литейщи-
ками процессах заливки са-
мых крупных в мире кокиль-
ных отливок из легированной
стали было установлено, что
при нарушении равномерности
заполнения вследствие умень-
шения количества цитатепей
или различной подачи металла
каждым питателем в отдель-
ности, в отливках образуются
горячие трещины. Аналогично,
в процессе заливки сверху
крупного корпуса турбины
рис. 259 |47| здоровая отлцвкз
может иолутиться только
при одновременной работе всех
питателей па двух симметрич-
но расположенных литниковых
ходов (вся ли!пиковая систе-
ма выложена сифонным огне-
упором, применяемым при за-
ливке слитков).
Рассматривая
мость применения
ного заполнения отливки, сле-
дует обметить, что истинная
равномерность может быт
достигнута только «фильтро-
вальной» и «карандашной»
пятниковой системой (рис 260.
необход li-
равном ер-
см. также рис. 195).
26 '*ак. 79. И» А. Нехендои
402 Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
Рнс. 260. Заливка зубчатого
колеса через фильтр. Каран-
дашнак литниковая система,
дающая настолько равномер-
ное и медленное заполнение,
что можно не устанавливать
прибыли
Примененне фильтровых литников, несмотря на ряд преимуществ,
не получило для стального литья широкого распространения, так как
экономически невыгодно. Предпочти-
тельно ограничиваться карандашной
литниковой системой или просто мне
гочислснными питателями.
Прямой противоположностью рав-
номерному заполнению отливки через
большое количество питателей литни-
ковой системы фильтра является спо-
соб симметричного заполнения
одним питателем. Такой способ за-
ливки является вынужденным для ря-
да даже массивных отливок симмет-
ричной круглей формы (маховики, ва
тонные и паровозные центры, тестер
нн, шкивы, и т. п.). В подобных отливках
сплошной диск или спины могут играть
роль литниковых ходов-питателей, обес-
печивающих равномерное н симметрич-
ное заполнение обода. Втулка же иг-
рает роль стояка-распределителя, за-
полняемого сверху илн сифоном, в за-
висимости от условий (рис 261 и 262).
способ заливки маховика, имеющего
На рис. 261 Представлен ________ _________ __________ ...
толстый обод, толстую втутку и тонкий диск. Если стремиться умепь-
шить .разность в их скоро-
стях охлаждения п одновре-
менно соблюдать принцип
равномерного заполнения, то
прирезку питателей следова-
ло бы производить в тонкий
диск сим метрнчно с двух сто-
рон (рис. 261—пунктир).Од
нако при этом в зоне пита-
телей получается большой
местный перегрев вследст-
вие Прохождения всего ко-
личества металла, идущее
на заполнение отливки. При
такой заливке крупных ма-
ховиков поваляются трещи-
ны в диске у питателей
Поэтому наилучшим спо
собом заполнения данной
Рис. 261. Правильный и неправильный (пунктир)
подвод металла в отливке крупного маховика
формы в практике является заливка непосредственно во втулку, не-
смотря на ее массивность. При заливке сверху (стрелка на рис. 261)
металл наполняет сначала нижнюю часть втулки, затем равномерно и
симметрично через диск заполняет обод. Чтобы металл при падении
ие размыл песчаную форму, на дно втулки кладется кирпич. Дтя пред
отвращения образования в первые моменты заливки «корольков» и за-
плесков устанавливается кожушок из кровельного железа, расплавляю-
щийся при наполнении формы.
Основной опасностью при этом способе заливки является разогре-
вание всем количеством протекающей стали массивной втулки.
Необходимо искусственно охлаждать втулки посте заливки, создавать
Подвод металла в стальных отливках
4ЙЗ
плавные переходы от втулки к диску, устанавливать усадочные ребра
и т, п„ иначе в месте перехода к диску неизбежно образование горя-
чих трещин.
На рис. 262 представлен способ заливки шестерни редуктора
имеющей высокие обод и втулку, массивные по сравнению со спицами
По данным Н. М. Александро-
ва и М.М Новгородского [1111 ]
в отливке под 4 прибылями
сделаны напуски для обеспе-
чения направленногозатверде-
вания (следовало бы устано-
вить 6 прибылей, иа каждом
сочленении обода со спицами).
Вследствие наличия центрово-
го стержня во втулке и боль-
шой ее высоты заполнение
ведется уже не сверху, а си-
фоном тремя питателями из
одного стояка. При этом обе-
спечивается такое же равно-
мерное и симметричное запол-
нение, как и при заливке
втулки сверху. Подвод метал-
ла в обод подобной шестерни
вызывал брак из-за местных
усадочных ракоеин и трещин.
3. Подвод металла сверху,
сифоном, по середине или
комбинированно
Выбор способа подвода
металла (сверху, сифоном, по
отрезку высоты отливки или
комбинированно) решается в
зависимости от конструкции
изделия и формы, материала
стенок формы, назначения и
ряда общих условий получе-
ния здоровой отливки. Расло-
Ри*. 262. Подвод металла сифоном в сту-
пицу шестерни редуктора на хромистой
стали (черновой вес отлнвкя 190 кг.
прибылей и литниковой системы 50
и 5% соответстзепно)
ложение литниковой системы производят с учетом комплексного влия-
ния ряда факторов Отливки простой формы, мелкие и неответствен-
ного назначения можно заливать охфоном или сверху. Для качества же
относительно сложных отливок уровень подачи металла имеет суще-
ственное значение.
а) Подвод металла сифоном и сверху. При заливке сифоном полу-
чается чистая поверхность, нет заплескОв и окисленных шариков, что
трудно достижимо при заливке сверху. Основной недостаток сифонной
заливки — глубокое проникание усадочной раковины, вследствие иебла
гоприятного температурного градиента при затвердевании,— проявляет-
ся только в крупных отливках. В отливках же с толщиной стенок
менее 50—75 мм, быстро затвердевающих, форма и рас-
положение усадочной раковины мало зависят от спо-
соба заполнения—сифоном или сверху. В тонкостенных
отливках, из-за быстрого затвердевания, усадочная рыхлость при за-
26*
104
Влияние состава стали, вв поОйода и питания на качество отливок
лнвке сверку молот получить иногда даже большее развитие, чем пря
заливке сифоном.
Это объясняется тем, что при заливке сверху тонкостенной
отчивки падающий вниз металл быстро затвердевает Образующиеся
межкристаллитные усадочные раковины и рыхлость могут не получить
надлежащего питания жидким металлом из верхних зон отливки При
сифонном же заполнении тонкостенной отливки нижние эоны отчивки
затвердевают медленнее. Если металл в верхних зонах не успел сильно
охладиться, может остановиться настолько благоприятный температур-
ный градиент, что образующиеся усадочные рыхлости получат изве-
стное питание сверху.
Таким образом, для стали определенного состава и температуры,
заливаемой с определенной скоростью, всегда должна быть некоторая
критическая тонцнна стенок при данной конфигура-
ции отливки. При этой толщине стенок форма и расположение
усадочной рыхлости не будут зависеть от способа заливки. Если от-
ливка данной конфигурации имеет толщину больше критиче-
ской, необходимо вести заливку сверху. Если толщина отливки
меньше — выгоднее заливка снизу.
Установление такой расчетной связи между размерами отливки
и свойствами стали для решения вопроса о заливке сверху или сифо
ном требует еще больших исследований. Но проведенные в последнее
время многочисленные работы дают возможность рассмотреть отмечен-
ную особенность влияния заливки сверху вли сифоном на развитие
усадочной рыхлости в тонкостенных опивках по сравнению со слит-
ками или крупными отливками.
Например, произведена заливка плит толщиною 25 мм вертикально
сифоном, по середине высоты и через потайные прибыли р использова-
нием атмосферного давления, рис. 263 [Й7}.
Во всех трех темплетах плит, залитых сифоном с нижним пита-
нием, при просЕ-ечнванни не обнаружено усадочной рыхлости. Пора-
Рис. И-' Осадочная рыхлость (V) в отливках п 1нг 25и 300 25 мм
з спитых ns углеродистой стали, слева — сифоном через две соковые
потайные прибыли с использованием атмосферного давления, справ а—
ро середине высоты плиты 300 X 600 X 50 мм через одяу вдвое боль-
шую прибыль (пунктир—места вырезки темл^етов дл» просвечжвенмяI
жение же нижних зон плиты, залитой по середине высоты, объясняет
ся только быстрым затвердеванием, поступившей сверху стали- При
более медленном затвердевании другой, более массивной отливки, эти
нижннс зоны находились бы уже в лучших условиях, чем при заливке
Подвод металла в стальных отливках
405
сифоном. Они должны были бы уже получать питание жидким метал-
лом из массивной прибыли под влиянием не только атмосферного дав-
ания, но и металлостатического напора.
Известны, например, исследования заливки плит таких же размеров
(300 X 250 4*25 лем) сифоном и сверху через боковые потайные при-
были без применения атмосферного давления, рис. 264 (109].
При заливке сифоном плиты имели некоторую усадочную рых-
лость. Но эта рыхлость значительно меньшая, чем прн заливке в тех
Рис. 2G4. Зоны и шиенсивмостъ (по 10-баллыюй системе] развития уш-
дпчпой рыхлости (УР), неметаллических включений по вине формы
(ПФ) и металла (ВМ) при заливке ичиг 250 У 300 X 25 л/i из углероди-
стой стали:
а сифоном. Л — сифоном чере-j яонтроЛгжны* шлакоуловитель о тилилмю-
lav-.nieu атмосферного давления к в сверлу через . >аук цитаЛну»,
быль без цсиоль-ивавня стм-*-риотл ч «ineni >
же условиях сверх)' (рнс. 264, с и 264,6) Причина появления этой
рыхлости — быстрое затверденание стали при заливке сверху.
Таким образом, сифонная заливка небольших тонко-
стенных отливок имеет преимущества по сравнению
С заливкой сверху.
В некоторых случаях
сифонной заливки тонко-
стенных неответствен-
ных отливок можно приме-
нять прибыли даже меньше-
го размера, чем при залив-
ке сверху, рис. 265.
Однако «бшнн расход
металла в этих случаях мо-
жет мало изменяться. Так
как сифонный подвод» осо-
бенно равномерный, требует
большого расхода металла
на литниковую систему
(рис. 2&>, а и 265,Все
же при заливке в сырые
формы сифонная заливка
оказалась экономичнее. При
верхнем подводе металла
(рис. 265, а) формы необхо-
1имо было подвергать ехш-
ке для предотвращения раз-
рушения их стенок падаю-
щей струей стали.
Рнс. 265. а — заливка буферных стаканов
сверху, сухая форма, увеличенная при-
быль, малый расход металла на чнтнва-
вую систему: б — заливка сифоном, в сы
рую форму, с меньшей прибытью, с более
тижелсфеенрй литниковой системой
foe
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
Прн выборе заливки сифоном или сверху необходимо учитывать
возможность засорения отливки неметаллическими включе-
ниями. Если форма имеет выступающие части или металл падает
на стержень (рнс. 265, а), заливка сверху опасна. В отливке могут по-
явиться «засоры». С другой стороны, одним нз основных недостатков
сифонной заливки является возможность загрязнения отливки неме-
таллическими включениями из-за размывания литниковых каналов и
закрытых прибылей (см. рис. 264, а и 264,6).
Чтобы уменьшить опасность засоров при сифонном заполнении
форм, необходимо тщательно прошли пивать л итниковые ходы, приме-
нять прочные смеси для них, вплоть до сухих стержней и фасонных
шамотных изделий, аккуратно производить сборку и продувку форм.
В борьбе с засорами особое значение имеет правильная конструкция
литниковой системы и сообщаемое направление движению металла.
Влияние подвода металла тангенциально или точно в щель поло-
сти формы, без воздействия на стенки формы и стержней уже рассмат-
ривалось ранее (см. рис. 137).
В последнее время успешно применяется «центробежный»
шлакоуловитель, играющий одновременно роль прибыли Металл из
стояка литниковым ходом по касательной попадает в открытый цилин-
дрический шлакоуловитель. При вращении металл в некоторой степени
очищается от включений и через питатель (перешеек прибыли) посту-
пает в отливку. По мере ее заполнения включения всплывают на по-
верхности металла в шлакоуловителе (см. рис. 264. е).
Как видно из рис. 264, в, в плите, залитой сифоном с таким шла-
коуловителем, прн просвечивании не обнаружилось включений по срав-
нению с плитами, заполненными не только сифоном, но даже сверху.
Большое значение имеют «зумпфы», принимающие включения,
несущиеся в большом количестве в первых струях металла. Они одно-
временно уменьшают живую силу и удар металла прн поступлении из
питателя в отливку. Зумпфы нужно делать не только в вертикаль-
ном направлении для стояка, но и в горизонтальном, для
л и т н и к о в ы х ходов, рис. 266.
Рис 266. Слева — влияние вертикального зумпфа для стоя-
ка ва заполнение отливки; справа — влияние горизонталь-
ного зумпфа для литникового хода
Многочисленные конструкции различных систем шлакоуловителей,
применяемые при изготовлении чугунных отливок, могут успешно ис-
пользоваться и для стальных, заливаемых в сырые формы. Исключе-
Подвод металла в стальных отливках
407
ние составляют только фильтровальные сетки, применение которых
ограничено «следствие менылей жидкотекучести стали и бблылего ее
разрушающего воздействии на сетку. Даже для чугунного литья на
Рис. 2fi7. Литниковая чаша — сито из трех составных частей н отливка
рамы с этим литником
автозаводе им. Сталина установили, что при заливке изделий весом
больше ЮО кг или длительности заливки больше 25—30 сек. фильтро-
вальная сетка разрушается, являясь сама источником засоров в от-
ливке [112],
Для задержки шлака при заливке через носок ковша ответствен-
ных отливок среднего развеса н уменьшения металлостатического на-
пора применяют особую литниковую чашу. Она состоит из трех частей,
осуществляющих задержку включений и уменьшающих напор с помо-
щью сита (часть 2), и в результате перемен направления струи стали
(части 1 и 3, рис. 267). Отливка рамы весом 1700 кг, обрабатываемой
сверху и снизу, с такой чашей-ситом, установленной без всякой литни-
ковой системы, изображена на рис. 267, внизу.
Как правило, для крупных пли шветственпых стальных отливок,
имеющих обычно литниковую систему в сухой форме или в фасонном
огнеупоре, специальные шлакоуловители не ставятся; ограничиваются
только зумпфами или центробежными шлакоуловителями, часто игра-
ющими одновременно роль боковых прибылей.
Торможению металла, перемене направления его движения
для уменьшения живой силы, следует придавать большое значение,
соответствующим образом конструируя литниковую систему. Торможе-
ние металла имеет особое значение при большом металлостатнческом
напоре (высокие или крупные отливки, разливка из ковшей большой
емкости через дно), рис. 268
При сифонном заполнении формы газы и воздух свободно уда-
ляются из полости формы Это является одним из преимуществ
сифонного заполнения. Возможность образования газовых раковин при
лнвке сверху тонкостенной отливки уже рассматривалась(см. рис 122).
Однако большим недостатком сифонной заливки является наличие
на поверхности подымающейся стали плавающей застывшей корки,
обычно обогащенной окнелами и включениями. При горячей стали эта
корка может быть вынесена наверх в прибыль отливки, без ущерба
ее качеству. *•
Толщина корки зависит от температуры металла, его скорости
подъема и длины протекания в форме. По краям, в местах соприкос-
новения со стенками формы, корка толще, чем в середине. Корка пре-
пятствует выделению газов, в обычных отливках не может быть раз-
ЛОВ
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
мешана прутом, как это делается в слитках илн открытых формах
крупных отливок. Вследствие этого корна не всегда сможет быть вы-
несена наверх Ёе заволакивает и перекрывает прорывающийся жид-
кий металл. Образуются «заво-
роты», в которых застревают га-
• ивые и неметалчические вклю-
чения (ем. рис 23) Корка мо
жет также ^прижиматься полни
м-ющцмся чсталлолт к выступа-
Рис 268- Конструкция стояка и ьмособ
рифонноВ заявки очень длинной
(I — 5700 лк) п тонкой /дням. 250 мм)
отливки колонны гидрами-емкого ппеСса
269.
-щтнпкрвая
для си-
Рис.
яая
иистема
фоняого заполне-
ния изложницы
с целью предот-
вращения заворо-
та корка и полу-
чения гладкой
внутренней по-
BepxijocTji
юшим частям форма или стержней- Образуются дефекты поверхности
отливки, вскрывающиеся в виде песочин и раковин при обработке
В обычных отливках из углеродистой стали корка замечается уже
при 300—400 мм подъема металла, а в отливках крупных с большой
Поверхностью или из легированной стали даже при меньшей высоте.
Поэтому при сифонном заполнении высокой ошибки необходимо при-
менять этажную литниковую систему. Высота каждого этажа дол-
жна быть такой, чтобы корка не успела образоваться, рнс. 269.
Для получения гладкой и ровной внутренней поверхности стать-
ных изложниц и кокилей особое значение имеет правильная литнико-
вая система. При применении этажной сифонной литниковой системы
тила рнс. 269, описанной Н. С. Крешановским [jl 13], полу чаются допол-
нительные преимущества, уменьшаются местные разогревы: металл по-
ступает в. полость формы охлажденным и с меньшей скоростью; ликви-
дируется вредное влияние большого метал юстатического напора
Подвод металла в стальных отливках
409
При необходимости заливать очень высокие тонкостенные отливки
сифоном нужно менять конструкцию основного стояка типа рнс. 269.
Для уменьшения напора и угрозы размыва литниковой системы стояк
нужно делать коленчатым с переменой направления движения
стали (см. рнс 268), либо заменять питатели сплошной стенкой-реб-
ром (см. рис. 314, стр. 475).
Большой напор или большая скорость заполнения при
сифонном подводе может вызвать такое же образовапие корольков
Рис. 270. Киво-радиографическая съемка сифояиого заполнения формы алюмнаневым
силавомг
4 И' Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
й наплесков. как и при заливке сверху. При большой напоре струя
металла поступает фонтаном из устья питателя. При падении металл
разбрызгивается, окисляется и в первые моменты заливки образует
типичные корольки и заплески, подобно заливке сверху. Эта оеобен-
яость сифонной заливки видна из исследования, произведенного сов-
ременными методами кино-радиографической съемки (просвечивание
формы во время ее заполнения и киносъемка соответствующих кад-
ром), рис. 270.
Сифонное заполнение имеет преимущественное значение
фи применении потайных прибылей или при наклонном по-
гожей и и формы. Такое положение обязательно при заливке с ча-
•тичным переворотом формы после заполнения (см. способ рис. 94).
Эно желательно для отливок длинных, тонкостенных или имеющих
большие поверхности также и в тех случаях, когда форма после за
шик* остается в покое. Такие отливки не всегда можно заливать вер-
тикально (отсутствие кессонов, надлежащих опок, крановых средств
и т. л.). Вместе с тем, при 1 оризонтальной заливке металл растекается
цо большой! плоскости, не заполняя всего сечення полости формы. Это
может вызвать обгар верхней поверхности формы и образование лепе-
шек на нижней. При наклонной же заливке газы свободно удаляются
.ад поверхностью металла. Сечение полости формы целиком запол-
нено. Тонкостенная отливка получает достаточно удовлетворительное
«штампе при правильной ’корогти подъема стали, рис 271.
Рнс. 271. Отливка трубы сифоном в наклон-
ном положения формы (обычно / — 10—IS'O
б) Подвод металла в разъем и комбинированно сифоном и сверху.
Часто применяется прирезка питателей в разъем формы, при-
мерно по середине высоты отливки (см., например, рис. 318). Tipi
•том нижняя часть формы заполняется как бы сверху, а верхняя
.'асть сифоном.
Такое расположение литниковой системы допустимо для отливок
со средними толщинами стенок. Для отливок тонкостенных или
имеющих конфигурацию, вызывающую интенсивное падение стали на
выступающие ннжние части формы,— подвод металла по среднему
азъему не рекомендуется. Не следует также допускать сифонного за-
олнения верхней полуформы, если отливка имеет массивные стенки.
Подвод «металла в разъем наиболее выгоден экономически—при
нем достигается упрощение формовки. Для машинной формовки ряда
отливок другая конструкция литниковой системы вызывает заметное
понижение производительности, а иногда и вовсе неосуществима. Не-
смотря на это, выбор расположения литниковой системы должен
Подвод металла . стальных отливках
в первую очередь определяться соображениями получения здо-
ровой отл и вки.
Для отливок массивных, высоких и сложной конфигу-
рапии, с целью полного сочетания преимуществ заливки сифоном
и сверху, наилучшим является способ комбинированной за -
I н в к и.
Этот способ может быть осуществлен несколькими вариантами.
Наиболее совершенным способом является заливка нижней часта
формы сифоном. Когда уровень подымающегося металл? достигнет
определенной высоты, начинает действовать верхний питатель. Па-
дающий металл разрушает начинающую образовываться корку и
обеспечивает благоприятные условия верхнего заполнения формы,
рис. 272.
Однако в условиях затввкя по рис. 272 возможно заполнение
стояка с самого начала заливки. Тогда наполнение формы будет нтти
Рис. 272. Л нтн иконам системj для кимьинириваняоЯ эалигкн стоек
паровозных домкратов
уже не последовательно, а одновременно через пнжннй
и верхний питатели, сифоном и вверху. Более позднее поступление
металла через верхний питатель возможно только прн незаполненном
стояке или при установке второго добавочного стояка, самостоятельно
связанного с верхним питателем.
При комбинированной заливке верхняя подача металла не дает
образовываться корке, а подушки поданного сифоном металла препят-
ствует образованию корольков.
Учитывая указанные преимущества комбинирован-
ной заливки, ее следует рекомендовать для широко
го применения. Однако необходимо иметь в виду, что комбини-
рованная заливка при одновременной работе верхних и нижних
питателей дает развитие усадочной рыхлости и засоров в отливке,
близкое к условиям чисто сифонного заполнения. Преимущественное
влияние сифонного потвола наблюдается вследствие того, что большее
количество металла, из-за бдльшего напора, проходит через нижний
питатель, рис. 273.
Залитые из одного 10-т ковша две плиты 600 X 600ХЮ мм пока-
зали при просвечивании примерно одинаковую усадочную рыхлость,
меньшую, чем при чисто сифонной заливке, но идентичную по природе
412
Влияние ‘"остова стали, ев подвода и питания на качество отливок
образования. Поэтому дли получения здорового изделия пришлось
дать припуск 150 мм по ходу металла, т. е. заливать плиту высотой
750 мм. Кроме того, вторая плита, заформованная и собранная не
столь тщательно, как первая, обнаружила значительное количество
включений по вине формы, не успевших всплыть в тонкостенной от-
ливке [109].
Конструированием литниковой системы таким, образом, чтобы ниж-
ний питатель имел меньшее сечение, чем верхний, можно
Рис. 273. - ны в интенсивность (по 10-баллыюв
системе) лзвнмтя усадочной рыхлости (УР)
включений по вике металла (ВМ) и формы (ВФ)
в тонкостенных плитах 600 X 600 X Ю мм
с припуском К 600 X Ю мм при комби Ниро-
O' ванной заливке
Достигнуть примерно одинакового распределения металла между двумя
питателями. Учитывая соотношения между величиной напор । и уров-
нях соответствующих писателей и их сечениями, можно регулировать
количества протекающего через них металла. Определение этой зави-
симости и сечений элементов литниковой системы может производиться
расчетным путем на основе гидродинамических и теплофизических
законов.
Б. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЛИТНИКОВОЙ
СИСТЕМЫ
1. Расчет литниковой системы
Теоретический расчет размеров литниковой системы возможен, но
связан с большими трудностями из-за многообразных и меняющихся
во время заливки физических и химических свойств металла и формы
При изготоалении стальных отливок необходимо дополнительно учи-
тывать заливку из ковша через дно или носок, поступление металла
в форму через воронку или чашу, конструирование литниковой системы
в сырой или сухой форме или из фасонных огнеупоров.
Расчет элементов литниковой системы должен вестись для опре-
деленного ее расположения и "для определенной скорости за-
полнения формы. При этом следует стремиться, чтобы поток ме-
талла был непрерывным, а литниковая система во все время
заливки была целиком заполнена металлом. Соблюдение
этих условий облегчит розможность задержки неметаллических вклю-
чений в литниковой системе без попадания их в полость формы,
а также предотвратит инжектирование воздуха и газов.
Подвод лепила в статных отлмкм
413
Рассматриваемые условия работы замкнутей, запертой
литниковой системы часто необходимы при сырых формах и связаны
с устройством специальных шлакоуловителей. Эти условия не обяза-
тельны при сухих формах и конструкциях литниковых систем в огне
упорах или без шлакоуловителей, применяемых для сравнительно круп-
ных стальных овдидок.
2. Основы расчета соотношений размеров элементов литниковой
системы в зависимости от условий заливки
При расчете литниковых систем основным является) определение
времени заливки формы и размеров соответствующе-
го сечения, «запирающего* систему Это сечение определяет
расход металла и, следовательно, соответствующее время заливки
формы. .» । 1
Через это сечение проходит струя металла сечением F со скоро-
стью U и расходом металла Q — U F.
Пренебрегая потерями,
2g- Н = 4,43 -1 Н м сек,
Q = 4.43 //У Л’ла сек,
где Н — металлостатический напор, определяющий скорость U.
Можно рассмотреть трн варианта поступления металла во вход-
ное сечение стояка АВ, рнс. 274 (по данным (П4|),
При запивке через носок ковша в воронку, Н — высота от АВ до
центра тяжести сечения струи у носка ковша (рис. 274, /); при заливке
через чашу, Н— высота до верхнего уровня чаши (рис. 274, 2); при
заливке через дно, И — высота до соответствующего уровня стали
в ковше (рис. 274, 3).
Таким образом, казалось бы, что расход металла и скорость запол-
нения формы при данном сечении входного отверстия стояка могут
бдть различными, в зависимости от соответствующей величины метат-
лостатического напора.
Однако во многих работах это положение неправильно трактуется.
Упускается из виду, что расход металла во входном сечении стояка бу-
дет определяться металлостатнческим напором (см. рис. 274, 2) только
в том случае, если литниковая чаша, независимо от способа подачи
н нее металла, будет все время заполнена до постоянного \роввя.
При заливке же ей воронку из носка или через дно ковша расход
в сечении АВ будет уже определяться количеством металла, вытекаю-
щего кз ковша. При заливке через носок это количество будет на ви-
сеть от сечения ковша, угла его наклона, размеров и формы носика.
Пр(и заливке через дно это количество будет зависеть от высоты
металла в ковше и диаметра стаканчика в дне (рис. 274, I и 274, 3).
Различный металлостатнческия напор при данном расходе метал та
бу деть влиять прежде всего на скорость его протекания но
литниковой системе и на линейную скорость заполнения
форм ы.
При опредетенной величине напора, хотя бы и постоянной для
входного стояка в условиях заливки через полную чашу, расход ме-
талла будет определяться наиболее узки м сечением литниковой сис-
темы. Таким определяющим, «запирающим» литниковую систем* сече-
нием является обычно суммарное сечение устья питателей. Но иногда
запирающим элементом литниковой системы могут оказаться не пита-
тели а литниковый хот х потайной прибыли вли даже входное сечение
сходка
4Н Влияние состава стали, ев Лодвода и питания на качество отлйвоК
До этого запирающего сечении литниковая система является зам-
кнутой, целиком заполненной металлом. За этвм сечением металл не
заполняет целиком объем литников или формы и замкнутость систем»!
теряется. Прн этом принципиальной особенностью заливки через
Рнс. 274. Заполнгпве формы при првреже питателя по высоте отливки я заливке
через иосоя жояша I я, чашу S и б, дно ковша 3 я 6. 1-^3 —не заполненная,
незамкнутая -штннковая система, 4—6 — целиком заполненная, замкнутая ч «замко-
вая система
дно ковша, наиболее распространенной для стали, является положе-
ние-, независимо от размеров литниковой системы,
запирающим элементом является только стакан-
чик ковша.
Во всех случаях ниже сечения АВ напор н скорость движения ме-
талла должны Увеличиваться, а сечение струй уменьшаться. В любом
Г1одвод металла в стальных отлиямх
415
сечении irtn, расположенном ниже АВ на высоту ht скорость струи
будет
Ut = 4,43 > //+*! = 4,43 • Г'Йр
Эта скорость при большом напоре или высоком стояке может
быть велика и вызывать разрушение формы. Но ва расход металла
и, следовательно, на время заливки высота стояка не влияет. Это
положение правильно при учете законов только гидродинамики. Если
же учесть большие тепловые потери струи металла при высоком
стояке, ведущие иногда к образованию корки, то зависимость будет
уже иная (см стр. 67, табл 8 и рис. 31).
Кроме того, воронка бывает иногда частично заполнена (см.
рнс. 274), а струя в сечении АВ всегда немного сужена. )Это вызывает
некоторые гидравлические потери напора. Обозначив их через hft , ско-
рость струи и расход металла Ъ сечении АВ можно определить уже как
Ua- 4,43-1 Н Ло
<?=4,43 I КТ, - /<;.
В любом сечении тп ниже АВ на высоту h\ потерн напора увели-
чатся до h(l Скорость струи и расход металла в 'Сечении им будут уже
£7^ = 4.43-1 Я + Л, йС1
Qd, =4,43 1 Н \ fij—iQ Filp
При заливке с полной чашей напор Н определяется только уровнем
металла в чаше над входным сечением стояка АВ. Это сечение, если
оно является наиболее узким, будет запирающим для всей литниковой
системы (рис. 274, 2).
При заливке же через стаканчик определенного диаметра в дне
ковша напор, определяющий количество поступающего металла, будет
зависеть уже только от его высоты в ковше. Следовательно, уз-
ким сечением литниковой системы при стопорной заливке будет являть-
ся сечение стаканчика ковша. Ни высота стояка формы, ! воспринимаю-
щего все количество поступающего из ковша металла, ни подъем ковши
над опокой не влияют гидродинамически на расход металла н весовую
скорость заполнения формы.
При стопорной заливке нельзя строго рассчи-
тать размеры элементов литниковой системы так, что-
бы обеспечить ее замкнутость. Литниковая система, замкнутая
в начале завивки, окажется не заполненной металлом к концу, когда
уровень металла в ковше понизится с Р до Р — L, а соответствующие
скорости U„ — 4.43 VДо UK = 4.43 У Р — L, рис. 274, 3.
Например, если Q„ —расход металла в начале разливки, a Q, —
к концу, причем сечение стаканчика, Fr, остается неизменным, то, пре-
небрегая сужением струп в стаканчике
Q, = 4,43 1 Р -
=4,43-1 P^L-l\,
ДИ» Влияние состава стали, ее подводи и питания на кач^'тво главах
откуда
(59)
Если Р — I л, а к концу разливки уровень металла опустился '«а
0,8 ж, то
QK = QH-0,45,
>69)
т. е. расход металла уменьшается более, чем ₽ два раза.
Для того чтобы литниковая система все время оставалась замк-
нутой, бесполезно подымать ковш по мере его опорожнения (как это
иногда делается в практике). Можно только регулировать стопором ко-
личество вытекающего металла, но это ведет в размыванию пробки.
В некоторых случаях применяется система сменных дополнительных
стаканчиков различного диаметра под дном ковша Это мероприятие
эффективно, но усложняет производство Оно оправдывает себя толь-
ко при изготовлении отдельных крупных и ответственных отливок. 'Из-
вестное преимущество имеет применение с.менной подвесной воронки
с различным диаметром стаканчика, в зависимости от заливаемой фор-
мы [115|. У нас этот с-лосиб широкого распространения не получил,
так как усложняет производство.
Для того чтобы путем смены стаканчика сохранить во время раз-
ливки постоянное количество вытекающей из ковша стати, несмотря
на понижение ее уровня, — необходимо иметь соотношение сечений
стаканчиков из следующего расчета. Если F„ и FK—истинные сече-
нии струи в начале и в конце разливки (или сечения стаканчиков, пре-
небрегая схжением струи), то
4,43 1 Р - F„=4,43 У Р—1. - / ;,
Принимая FK ><з «.ечение основного стаканчика ковша, можно из
уравнений (59) н (60) определить, что F „ 0,45 FK Следовательно,
при нонйжеинн уровня стал» с I на 0,8 м нужно, для сохранения постоян
него количества вытекающей стали, начинать разливку при сменном
стаканчике диаметром в -j <»т диаметра основного стаканчика ковша
(J.,-0,67 dh).
Металл из стояка через литниковый ход и питатель или непосре-
ственно через питатель поступает в форму.
Следует рассмотреть случаи прирезки питателя сечей нем MN по се
редине или в какой-либо точке высоты отливки. Тогда в начале форма
будет заполняться сверху, а затем сифоном. В общем случае, в начал»
за'ливки, во входном сечении стояка FCT по плоскости АВ метала будет
иметь скорость
£/„=4,43-1 Н.
Расход протекающего через сечение АВ металла будет
Q.,-4.43 I И- Г„
при заливке через носок или чашу (Я— соответствующий напор, см
рис. 274, 1 и 2) и
= 4.43 • I Р - /-’с
при заливке через дно ковша (сечение стаканчика р, рнс. 274,3).
Подвод металла в сталмъш отливках
41?
Учитывая гидравлические потери, следует считать
О.,”!', 4.43 г;.
Q„Г: 4-43 V г 1\, 61)
где Hi — коэфициент расхода при заливке через носок или чашу в се-
лении АВ, а и? — в сечениях АВ н RQ (стаканчика) при заливке че-
рез дно ковша.
Металл, попадая в зумпф и нижнюю часть стояка, начинает скап-
ливаться и затем поступать в полость формы через устье питателя
MN. Можно допустить; для упрощения вывода, что живая сила струи
в- стояке из-за удара о дно и из-за перемены направления движения
полностью теряется. Тогда заполнение формы через питатель может
начаться при скоплении металла в стояке до некоторого ‘уровня ab,
обеспечивающего необходимый минимальный напор Л' (соответственно
расстоянию от плоскости ab до центра тяжести сечения MN).
При F,. площади сечения устья питателя MN, скорость и расход
металла Q,, будут
ZJo=4,43- I й7,
Q, =4,43 • >' К Г„.
Если учесть гидравлические потерн в питателе, то
w-VF-r,,. (62)
Напор h' значительно меньше напоров Н п\Р. Для прохождения
всего количества поступающего металла с самого начала заливки
в полость формы необходимо, чтобы сечение Fn в устье MN было
больше Сечения Fc, во входном сечении стояка АВ или сечения Ft
ста канчика1 ковша.
Как следует из формул (61) и (62), при QCT = C,n
или
В этих условиях заливки получается незамкнутая литниковая
система, не заполненная целиком металлом. Возможен подсос воздуха
и газов, не улавливаются неметаллические включения. Но зато л и-
нейная скорость заполнения формы (U„) мала. Она опре-
деляется только напором Л', зависящим при данном расходе металла
Q„=QCT от соотношении сечений Fr /FCT и напора Н или Р. При за-
ливке через дно ковша расход металла постепенно падает и вместе
с ним напор h' и скорость Un-
Рассмотренные условия сохраняются по мере подъема металла
в форм1е' до уровня сечения При дальнейшем заполнении формы
повышается и уровень металла, целиком заполняющего стояк. Если
уровень металла в форме достигнет плоскости EF, то уровень металла
в стояке, обеспечивающий необходимый минимальный напор h', поды-
мется до а'Ь'. Скорость заполнения формы через питатель будет по-
27 Зак. 79. Ю. А. Нехеидав
41* влияние состава сталй, ев подвода a nurartuA «й качество отливок
прежнему определяться ^равнением U„=4,43- 1 Ь\_так же'как
и соответствующий расход .металла Qn = 4,43- yrh' Fn. Может
только меняться величина гидравлических потерь, сказывающаяся на
коэфициенте расхода р 3. При заливке через дно U„ и Q к будут также
уменьшаться по мере заполнения формы.
При скончании заполнения — достижения уровня Л В, напор вне-
запно повышается до ii' 4- Н. Заливка должна быть прекращена.
Таким образом, при незамкнутой литниковой систе-
ме сечение питателей не влияет на расход металла,
на весовую скорость заливки. Узким местом литниковой
системы является какой-либо элемент до питателей и в частности вход-
ное отверстие стояка, носок или стаканчик кавшк
Сечение питателей влияет только на линейную ско-
рость заполнения фор/мЬги
Для получения замкнутой литниковой системы необходимо,
чтобы с самого начала заливки! питатели, .литниковые ходы и стояк бы-
ли целиком заполнены металлом. Это возможно только в том случае,
еслк количество (металла, могущего пройти через
питатели, будет меньше проходящего через стояк.
Если йеченне MN питателя будет меньше сечения стояка, то металл
быстро Подымется до уровня АВ. Вся литниковая система окажется
заполненной и нз ковша необходимо будет подавать только такое ко-
личество металла, которое соответствует пропускной способности пи-
тателя (рис, 274, 4—fi),
В этом случае получится полностью замкнутая литниковая систе-
ма, в которой наиболее узкое сечение питателей будет контро-
лировать количество металла, поступающего в полость формы. Это ко-
личество уже в малой степени будет зависеть от напора металла, по-
ступающего из ковша. Оно будет определяться некоторым средним
металлостатическим напором, в значительной мере Зависящим «г высо-
ты стояка.
До тех пор, пока уровень металла в форме ниже сечения MN пита-
теля, н заливка ведется} следовательно, сверху — скорость истечения
через это сечение будет
U„-4,43-) h,
где h—расстояние от । центра тяжести сечения MN до верхнего уровня
металла в стояке или в чаше (рпс. 274, 4—6).
Когда уровень металла станет выше уровня MN и заливка, следо-
вательно, будет происходить сифоном, скорость истечения начнет
уменьшаться. При достижении металлом уровня, иапрймер FF, скорость
будет
£/„=4,43 1 f{‘.
Таким образом, напор во время заполнения формы замкнутой ли!
пиковой системен меняется от Л до in. Количество проходящего
металла за все время заливки будет определяться некоторой сред-
ней величиной напора, от ft до т, и сечением питателей, как
узким местом литниковой системы.
При заливке чере^ дно ковша литниковая система также должна
быть все время заполненной, чтобы получиться замкнутой. Как указы-
валось, осуществить эт\ замкнутость чрезвычайно трудно, так как
контролировать количество металла будет попрежнему только сечение
ПоЗвод металла в стальных отливках
стаканчика ковша (при уменьшении уровня стали в нем от Р до Р—L).
Получение замкнутой системы в этих условиях возможно только, если
количество металла, поступающего через дно ковша, будет во все вре-
mjJ заливки ио крайней мере равно максимальному количеству, могу-
щему пройти через питателя,
В начале заполнения должно быть
4,43 - I'T - F„ = 4,43 V'p'- Fr
(63)
V~h
а к концу заполнения
4,43 - Г m -Fn = 4,43 1 P— L Ъс
Fa = Fc . V^-L (64)
С учетом соответствующих потерь
F = Ь F L2L (65)
H /ТГ
F,=-b. (66)
14 у nt
При выборе сечений F„ следует вести расчет по формуле (65).
1ающей меньшую величину F„. Это создаст известный запас, облегчаю-
щий получение замкнутой литниковой системы.
Для расчета размеров разтнчных элементов' литниковой системы
нужно принять, что после ее заполнения целиком в начале залявки (пи-
татели не пропустили всего количества поступившего металла) дальней-
шее 'поступление металла соответствует; его расходу. Следовательно,
движение металла в замкнутой (запертой), заполненной литниковой си-
стеме получается непрерывным и через каждое сечение ее про-
ходит в единицу времени одинаковое количество металла. Через
два элемента 1 и 2 площадью Ft и F2 проходит
Q, = Q, или • U} -Fs- Ut,
откуда следует, что в заполненной системе скорости дви-
жения Ui и U2 обратно пропорциональны сечениям.
Для непрерывности движения и замкнутости системы какой-либо
последующий ее элемент должен иметь потенциальную пропускную
способность меньше любого предыдущего. При данной величине на
пора Я, и Нг в элементах 1 и 2, соответствующих гидравлических по-
терях ft] и h2, — пропускная способность этих элементов будет
V, — 4,43 I /А Л» • Л и & 4,43 Г /А йэ
Следовательно, для обеспечения замкнутости системы должно быть
Й>О,: 4,43 ) *, F, 4,43 У/
420 Влияние состава стали, ев подвода и катания fta качество отливок
В общем' виде у Зкое месте за м к н у‘тйо й литниковой систе-
мы, вапирающее ее, должно иметь сечение меньше любого пред-
шествующего, Отмечалось, что этим узким местом являются обыч
но. питатели, ио может быть и другой элемент зпгкяковой системы,
например, литник, подводящий металл в потайную прибыль. За этим
литником система, включая питатель от прибыли к отливке, уже не
является замкнутой. Запирающий же литниковую систему элемент
имеет сечение Ft по отношению « любому предыдущему Fi
Ht-h,
Если принять для упрощения, что я = 1, т. е. действительный на-
пор в элементах одинаков, то сечение, запирающее систему, должно
быть меньше любого предшествующего
В зависимости от ве-жчин сообщаемого напор» /Л и Ня н потерь
hi и fts величина а может быть больше, равна или мень!ие
единицьг.
Например, в стояках напор в нижней части всегда больше, чем
в верхней Ht. Нарастание напора На— Ht большее, чем соответствую-
щее увеличение потерь с ftj до h2, Следовательно, в стояке всегда
а < 1 и для обеспечения замкнутости системы, нижнее сечение
------" ' — —» — — 4 ...
т е. F2 < Fi (конусная конструкция стояка).
При подводе металла в разъем литниковые ходы и питатели нахо-
дятся обычно почти на одном уровне. Металлостатический напор
в литннко'вых ходах и питателях был бы таким же, как и в устье стоя-
ка, если бы не потери напора при движении металла в них. Эти потерн
будут тем выше, чем длиннее литниковые ходы и питатели, чем больше
поворотов имеет их конструкции. Для таких систем Hi — hi^> Ня — Ц2
и, Следовательно, а ?> 1,
Таким образом, для получения замкнутой
конструкции уже не '
т. е. Г2 Fi- Может
, - . ____ системы в подобной
обязательно соблюдение соотношения F„
быть допущено
и даже
F,
Вместе с тем, во
всех случаях работы литникового хода, как шла-
коуловителя, желательно уменьшить в нем скорость движения метал
да. Для этого следует увеличить сечение литникового хода и делать
его больше сечения питателей, получав уже соотношение- F„ <C.Fu.»
Это будет еще более способствовать созданию замкнутой системы.
При заливке через дно ковша не всегда можно обеспечить устой-
чиво замкнутую литниковуй систему. Поэтому для экономии металла не
следует увеличивать сечение литникового хода, добиваясь соотноше-
ния Fn-^Fx.jt, если только литниковый ход, как и при замкнутой сис-
теме, не служит шлакоуловителем
Из изложенного следует, что основных! при рас.чете размеров
замкнутой литниковой системы является определение размеров
1 Рассмотревшее тюложнайя о роли коэфициента а и соотношения между F,
и Fj разработаны совместно с Н. Г. Гиршовичем и В М Андреевым.
Подвод металла в стальных отладках
«I
узкого места, являющегося обычно сечением пита-
телей. Определив Fn, можно, используя, в зависимости, от потерь,
различные соотношения а и a i между F„, Fn.* и FCT, рассчитать се-
чения литниковых ходов F«x и стояка FCT.
В условиях симметричного и равномерного заполнения отливки
через несколько питателен, определяемое суммарное сечение F„
должно быть разбито на ряд сечений
соответственно числу и расположению
питателей. Эту разбивку следует про-
извести на основе гидродинамических
и теплофизических условий течения
металла. Очевидно, что положение
стояка относительно питателей, за-
данное общими условиями расположе-
ния литниковой системы по получению
здоровой отливки, существенно влияет
на размеры литников и на действи-
тельно равномерное заполнение фор-
мы.
Например, в простом к распрост-
раненном случае симметричного за-
полнения формы стояк располагается
обычно: в центре литникового хода, а
питатели симметрично по левую и
правую сторону, рис. 275.
В условиях рис. 275 можно пря-
Рис. 275. Литниковая система,
состоящая из стояка Сг, располо-
женного в цевтре литниковых
ходов Л.Х на одинаковом рас-
стоянии од питатией Л—П
нять, что
2/ъ = а - 2Гп. х = • Кт-
Однак6: другие соотношения получатся при ином расположении
стояка, например, несимметрично сбоку или несимметрично между
питателями, ряс. 276.
Путем заливки четырех брусков при различном положении стоя-
ка1 определено, что равномерное и симметричное наполнение отливки
Гис. 276. Влияние положения стояка а соотношения размеров жтнвкоеык
ходов на равномерность заполнения формы
получается при расположении стояка Ст симметрично в центре отно-
сительно питателей щ. /fe, Ла и щ (рис. 276, слева).
Если стояк СГ расположен сбоку и расстояние до каждого из
питателей различно, то для получения практически равномерного
наполнения отливки (рнс. 276, середине) нужно иметь различные
сечения литникового хода соответственно количеству про-
текающего металла. Для наиболее удаленного от стояка отрезка лит-
422
Влияние состава стали, ее подвода. и питания на качество отливок
Рис 277. Влия-
ние На равномер-
ность заполнении
формы соотноше-
ния размеров пи-
тателей прн оди-
наковом сечении
литникового хода
никового хода, через который проходит металл для заполнения только
одного бруска, нужно сечение примерно в четыре раза меньшее, чем
потребное для прохождения всего количества металла (рис. 276. сере-
дина).
При этом расположении стояка одинаковое сечение литникового
хода по всей его длине вызвало бы неравномерное заполнение отлив-
ки. Для обеспечения равномерности заполнения
при одинаковом сечении литниково-
го хода можно также делать различные
сечения питателей, при неизменном сум-
марном их сечении F„.
Сечения питателей, наиболее удаленных
от стояка, должны быть соответственно боль-
in е сечений ближе расположенных питателей.
Пример подобной конструкции литниковой си-
стемы, обеспечившей равномерное заполнение
крупной отливки конденсационного горшка,
представлен на рис. 277.
Изложенные положения имеют большое зна-
чение также для обеспечения равномерности
заполнения слитков сифоном. При большом ко-
личестве изложниц, устанавливаемых на одном
поддоне, соблюсти принцип «равногопути»
бывает очень трудно. В этом случае необходимо
применять сифонные кирпичи особой конструк-
ции. Они имеют тем большее выходное очко, чем
больше расстояние от изложницы до стояка
П15].
3. Основы расчета скорости заполнения формы
Уже отмечалось, что время и скорость за-
полнения формы оказывают большие влияние на
качество отливки. Расчет размерив литниковой
системы н се узкого места должен вестись по
принимаемом скорости заполнения. При
этом следует учитывать различные понятия о
скорости заполнения (стр. 207).
Общая скорость разливки определяется ко-
личеством вытекающего из ковша металла в единицу времени — кг}сек.
Общая скорость разливки будет соответствовать весовой скорости за-
полнения отливки весом G кг, если в опоках заформована только одна
отливка
G О п • G
— — кг сек или — — —-------кг сек,
х z г
если заформовано и отливок весом каждая G кг и общая ско-
рость разливки* опорожнения ковша, больше весовой скоро-
сти заполнения каждой отливки. Достижение возможно боль-
шей общей скорости разливки имеет важное значение
в связи с особенностями литейных свойств стали. При длительной раз-
ливке ствли могут образоваться настыли («козлы») в ковше, может
нарушиться работа стопорного механизма, произойти разъедание футе-
ровки ковша, вторичное окисление, обогащение металла неметалличе-
скими и 1азовыми включениями.
Подвод металла в стальных отливках
423
Поэтому каждой емкости ковша стали данных свойств должно
соответствовать только определенное, максимальное количество под-
лежащих здливке форм. Для увеличения скорости разливки, применяют
в некоторых случаях перелив в малый ковши и очень часто размеще-
ние нескодыдах мелких отливок в одной форме. При этом расчет раз-
меров элементов литниковой системы должен производиться для
каждой отливки по бе индивидуальной скорости заполне-
ния, а для общего стояка по суммарному расходу металла.
Весовая скорость заполнения каждой отливки — кг[сск должна
быть координирована:
1) с линейной скоростью поступления металла в полость
формы, зависящей от соответствующего напора п сечения струи;
2) со скоростью подъема металла в форме, зависящей от высо-
ты отливки и времени заполнения.
Общее влияние весовой и линейной скорости заполнения на ка-
чество отливки, зависящее от многообразных условий заливки и свойств
металла и формы, должно быть проанализировано для каждой отлив-
ки. В виде первого приближения определение оптимального времени
заполнения может быть произведено эмпирически, в зависимости от
веса и конфигурации отливки.
Для различных чугунных отливок (от плит толщиной 3,5 мм до кот-
лов с толщиной стенок 18 ж.и и весом 450 кг) .по Дитерту [П6] между
весом отливки G, толщиной стенок и (временем заполнения z
существует зависимость, выражаемая в общем виде параболической
кривой z у 2р-О, где У 2p = S — константа, зависящая от тол-
щины стенок (S= 1,63 для толщины 3,5 мм и S = 2,20 для 8,5—15 леи).
Для более крупных отливок по данным Р. 3. Резниковой
и С. В. Руссияна [117] можно принимать $==!,!. Известны твкже
рекомендации коэфициентов S для различных других условий производ-
ства. Отмечаются также проверенные в определенных условиях зависи-
мости z =^S К G или z = К К3 , где 8 — толщина стенок отлив-
ки (К. А Соболев) и даже z — S- ]/" G (В И. Фундатор [118]).
Подобные сложные зависимости имеют место и при заливке сталь-
ных отливок, причем особенно резко отсутствие прямой пропорциональ-
ности между весом и временем заполнения наблюдается в крупных
изделиях. Например, форштевень (рнс. 258) заливался всего 3 мин., ра-
бочее колесо рис. 257—5 мин. В практике автора были получены удо-
влетворительные результаты при заливке маховика диаметром 4000 мм
весом 51 т (из двух ковшей) за 5,5 мин., опоры колонны весом 65 г (из
трех ковшей) зЬ 6,5 алии., станины блюминга весом 90 т за 4,5 мин
и станины пресса чистым весом 120 т (из 5 печей) за 5,5 nuh. (Q/Z
около 20 000 кг/мин).
Для стальных отливок от 1—2 до 20 т весом автор рекомендует
на основе большого экспериментального материала, обработанного ме-
тодом больших чисел, определять весовую скорость заполнения по дан-
ным *рис. 278
Верхняя кривая рис. 278 дает более повышенные весовые скорости
заполнения и должна применяться для отливок сложной конфигурации,
с малой приведенной толщиной стенок. Для условий кокильной залив-
’ Из работы ч А. И. Волковым. Пути расчета литниковых сцстем для сталь-
лого литья, выполненной на кафедре «Литейное производство» в Ленинградском
политехническом институте им. М. И. Калинина в 1941 г.
424
Влияние состава стили, ее подвода и питания на качество отливок
ки н легированной стали эти повышенные скорости должны быть еще
увеличены. Кривые рнс. 278 подчиняются параболической зависимости
и средняя величина S для расчета времени заливки г — S - КО-опреде-
Рис 278. Весовая скорость заливки (повышенная — верхняя
кривая н нормальная — яиигаяя) и зависимости от веса
стальных отливок (G — вес без прибылей)
ляется из верхней кривой грис. 278 в S=l,50, а из нижней, для отли-
вок простой формы, с большой приведенной толщиной, допускающих
более медленную заливку — S = 2,35 ’.
Для расчета весовой скорости заполнения стальных отливок ма-
лого веса можно также рекомендовать зависимость, установленную на
большом экспериментальном материале Г. М. Дубицким* аналогично
данным А. К. Соболева, В. А. Беленького [119] «В. А Ароновича [120]
для чугунного литья
s - i>v7;ts,
где 3— приведенная толщина стенок.
Величина S для таких отливок может выбираться от 1,3 до 1.8
в зависимости от температуры стали (чем выше температура, тем > S)
и ряда условий заливки В частности, для простых по форме массив-
ных отливок шаботов, с большим количеством внутренних холодильни-
ков, рекомендуется величина S=l,05—1,2 * s.
Необходимо также отметить принципиальную возможность опреде-
лять время заполнения в зависимости от скорости затвердевания сталь-
ной отлнвки. По имеющимся данным [1], максимальное время заполне-
ния, когда металл еще не начинает затвердевать в период заполнения
полости формы, составляет 0.01 от времени затвердевания (гж.пМВ^.я~
-0,01 - 2эатверде«1ивя =0,01 К1/*2) При времени заполнения 2 = 0,07 Z
получаются уже спан и недоливы. Рекомендуемое время заполнения
составляет от 0,01 до 0,03 времени затвердевания- Принимаемое по
ггим данным время заполнения по существу также связано квадратич-
ной зависимостью с приведенной толщиною стенок отливки. Одновре-
менно оно связано и с константой затвердевания. Такой метод расчета
является принципиально правильным, но требует уточнения соответст-
вующих коэфициентов, учитывающих не только образование спаев, но
и другие условия получения здоровой отливки.
1 В дальнейшем под G понимается вес отливки без прибылей, если скорость
их заполнения меньше. чем отливки.
5 «Расчет литниковых систем для стальных отливок» —- какд. диссертация,
выполненная в Уральском индустриальном институте им. С. М. Кирова в 1940 г.
’АД. Попов и Р. Г. Кузин, ТЕХСО, 1939, № 141.
Подвод металла в стальных отливках
42S
При заливке крупных отливок из ковшей через дно необходимо
после определения времени Заливки z или иесовой скорости заполнения
G/z выбрать надлежащие размеры ковша и стаканчика. Эти размеры
должны обеспечить требуемый расход металла G/z кг/сек. Количество
вытекающей нз ковша стали должно быть
• 7Ж * М3 V^/4 кг сек,
где цк —коэфициент расхода, зависящий от формы и размеров ста-
канчика ковша, температуры и жидкотекучести стали (по
разным исследованиям у.» может быть принято 0,80—0,95);
Fc —сечение стаканчика ковша;
7 ж— удельный вес жидкой стали (6,8—6,9);
4 .43 — K2g;
— средняя высота (напор) стали в ковше за период заполнения
данной отливки. Этот средний напор может быть определен
по начальному Р и конечному Р — L нз формулы
/77
“ ’ 2
В свою очередь Р и Р — L могут быть определены по объему вы-
текающего металла, пренебрегая конусностью ковша,
ГГ)2 kZ>2
V —_ [Р (Р- £)] = —i L.
4 4
Предельные величины диаметра стаканчика в практике составляют
25 мм для мелких отливок и до 75—90 мм для самых крупных.
Обычно наиболее распространены стаканчики (для ковшей до 30 т)
диаметром 30—35 мм для обычных отливок развесом 100—150 кг,
диаметром 40 мм для более крупных отливок 1—1.5 ти диаметром 50—
60 мм для крупных.
Необходимо отметить, что стаканчик диаметром 50 мм пропускает
примерно в 2,5 раза большее количество металла, чем стаканчик диа-
метром 25 мм. При установке двух стопорных устронста в ковше (для
равномерности заполнения отливки через два стояка) обычно применяют
стаканчики диаметром 30 + 40 мм. Получается эквивалент одному ста-
канчику диаметром 50 мм. который достаточен для многих средних
и крупных отливок.
Двухстопорное устройство в ковше емкостью выше
10—15 т для разливки стали на фасонное литье имеет ряд преиму-
ществ. Излишний расход огнеупоров окупается резервом на случаи
аварии разливки одним стопором, возможностью увеличить количество
заливаемых опок, лить в два стояка; лить вначале, прн большом на-
поре. через стаканчик малого а затем большего диаметра.
Для уменьшения напора вытекающей стали и тепловых потерь ков-
ши следует иметь с отношением полезной высоты к диаметру в свету
H/D=l. В литейных с разнообразным ассортиментом отливок необ
ходимо иметь печн и соответственно ковши различной емкости
Но очень часто эти возможности ограничены плавильными агрега-
тами, и в литейных индивидуального или разностороннего производст-
ва приходится из одного стопорного ковша производить заливку раз-
личных отливок. В этих случаях время залнвки для многих форм будет
зависеть от количества вытекающей из ковша стали в различные
периоды разливки. Расчет размеров литниковой системы таких форм
приходится строить уже не ио оптимальному времени заливки для них.
426
Влияние состава стали, ев подвода и пипния на качество отливок
а по принципу полного приема поступающей из ковша стали. При этом
в первую очередь необходимо контролировать требующуюся
минимальную скорость подъема стали в форме
В этих условиях для небольших отливок, заливаемых из больших
ковшей, изменение уровня стали в ковше будет незначительным Лит-
никовую систему можно рассчитать таким образом, чтобы она била
замкнутой. Получатся по существу условия заливки из ковша через но-
сок или через чашу с целиком заполненным стояком. Скорость запол-
нения таких форм будет определяться средним металлостатическим
напором, вычисляемым по формуле {116]
/7с = /7м —
2НО " 2Я„
(67)
где И, —средний металлостатвческий напор;
Нн— максима тьный напор (по уровню металла в чаше над уров-
нем питателя);
'//„ —высота отливки над уровнем питателя;
Н, — полная высота отливки.
В этой формуле не учитывается Динамический напор, получаемый
в полной чаше от падающей в нее струи металла из ковша, предпола-
гается подвод металла не сифоном, а по высоте отливки: сечение от-
ливки по высоте постоянно. Кроме того, определяется средний напор по
механической работе стояка, его давлению, но не по времени заливки.
А. В. Беленький [119], проанализировав этот вывод формулы (67),
ввел соответствующие поправки. Для практических целей можно поль-
зоваться формулой (67) без этих поправок, определяя средний металло-
статический напор в замкнутой литниковой системе в условиях запол-
ненной воронки или чаши-
1) при подводе металла сверху —
Н 0 н Нс Н„-,
2) при подводе металла в разьем —
Яп U и //< = //„
3) при подводе металла сифоном —
„ V. И,
Таким образом в замкнутой литниковой системе средний металло-
статический напор определяется местом подвода металла, высотой от-
ливки и высотой иерхней опоки, включая уровень металле в чаше.
Поэтому линейная скорость поступления металла в форму и ско-
рость его подъема в форме, при прочих равных условиях, будут
больше в замкнутых, чем в незамкнутых системах.
Для тонкостенных отливок и металла пониженной жидкотекучести та-
кое влияние повышенного напора полезно. Для уменьшения размы-
вания стенок формы следует применять торможение металла
уменьшением скорости его движения. Соответствующие мероприятия
(повороты, расширения литниковой системы и т. п.) подробно иссле-
дованы В. И Фуццаторои [118] и В. А. Ароновичем [120] для чугун-
ного литья « могут быть обобщены для 'мелких и средних стальных
ТЛИВОК.
Уже отмечалось, что вследствие быстрого затвердевания, боль-
шей легкости образования корки и меньшей жидкотекучести заливка
НоАлод металла в сталмиях отливках
Ш
в кокильные формы или легированной стали в обычные формы должна
быть быстрой. В этих условиях необходимо повышать весовую
скорость заполнения и скорость подтема металла
в форме. Линейная же скорость поступления в полость фор-
мы из устья питателей должна быть по возможности малой. Для ко-
кильных форм это необходимо с целью предотвращения размывания их
стенок струей стали. Для отставок нз легированной стали это необходи-
мо с целью уменьшения турбулентности потока и образования окисных
пленок и заворотов.
Вопрос о подводе металла и скорости заполнения вращающихся
форм весьма сложен. Весовая скорость заполнения должна быть >вяза-
Рис. 279. Подвод металла через центровой стояк
Н радиальные питатели при заливке под «цент'
робежным давлением» столки, из 48 мин калибр
ра 75 мм весом 5 кг каждая (обрабатывается
только центрующее утолщение).
на со скоростью вращения фиргмы. Последняя в свою очередь зависит
от конфигурации отливки, свойств металла и формы, требований к полу-
чаемому строению при первичной кристаллизации, к чистоте от вклю
чений и к предотвращению возможности образования трещин.
В отливках, получаемых методом «центробежного давления ме-
талл поступает через центровый стояк и радиальные питатели в стерж-
нях в каждую отливку, рис. 279'.
Число оборотов формы после заливки металлом может быть от 50
до 450 об/мин, чтобы сообщить окружную скорость 150—200 м/мин.
Для шестерен, заливаемых в! опоки диаметром 500—750 мм, обычно
принимают 150—250 об, мин. Таким образом, скорости вращения при
’ Центробежные отлнвки, Trans. AFA. 1944, 273.
428 Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
металл поступает через стояк
Рис. 280. Подвод металла в уста-
новка прибыли в шестерне при
«полуцевтробеж1«й» заливке (сече-
ние обода ~ ЧХХ) *в2. ннтающих
каналов 4100 мм-, отношение 1.20 :1)
заливке под центробежным давлением» значительно меньшие, чем пря
«истинно центробежной» заливке.
Для отливок, получаемых «полуцентробежной» заливкой, когда
питатели, а форма имеет стержень
и разные выступающие части, ско-
рость вращения также невелика,
рис. 280.
Для заполнения полости такой
формы во время ее вращения не-
обходимо приложить центробеж-
ные силы сверх атмосферного и
металлостатического давления. Эти
силы могут быть определены из
формулы
4,8 I 60/
где Р — центробсжна- сила, кг;
G — вес, кг;
г —радиус вращения, ж;
N—число оборотов в минуту'.
Эта формула основана на ис-
следованных окружных скоростях
135—180 м/мин. По другим иссле-
дованиям для стальных отливок
применяются окружные скорости в
более широком диапазоне, от 60
до 300 зл1мин.
Высокое число оборотов
оказывает вредное вчняние
на качество стальной отливки
вследствие образования полосча-
той, кольцевой неоднородности
строения по сечению и возникнове-
ния горячих трещин.
При достижении высоким чис-
лом оборотов известной критической величины начинается вибрация
формы. Соответствующие работы доказали экспериментально, что при
вибрации нарушается непрерывность затвердевания, независимо от то-
го, вибрирует вращающаяся или стационарная форма. Как и при раз-
мешивании шомполом, получается полосчатое строение (см. стр. 91),
являющееся распространенным и большим недостатком центробежных
от чивок.
Высокое число оборотов (больше 1000—1100 об/мин) ведет также
к образованию горячих трещин в центробежных отливках, так как п<>-
.ручающаяся наружная корка не выдерживает больших напряжений
при отходе отливки от стенок формы из-за усадки. Кроме того, вслед-
ствие быстрого затвердевания устанавливается резкий перепад темпе-
ратур По сечению отливки, что также способствует образованию по-
лосчатой неоднородности строения.
При низких скоростях вращения формы поступающий
металл недостаточно быстро приобретает скорость, которая необходи-
ма дли создания центробежной силы, превышающей силу тяжести Это
приводит к отрыву и разбрызгиванию жидкого металла внутри формы.
В отливке получаются спаи и ярко выраженные неоднородные 2—3
зоны.
Подвод металла в стальных отливках <29
Таким образом для центробежных стельных ютливоя необходим
некоторый промежуточный, оптимальный интервал скорости вра-
щения формы.
Недавно аналитическим путем, ва основе идеальных условий рас-
пределения жидкого металла в форме, выведена формула для опреде-
ления числа оборотов форм 1
JV»4231 _ 1 • I Я • sin a, (68)
v
где A'— число оборотов, г, и /*— внутренние радиусы параболоида
вращения на высоте его Я, a a—угол наклона оси
Для горизонтально вращающейся формы формула имеет вид
№*=300-i Z________________________1 . (69)
V R,-R?
Практические числа оборотов для стальных отливок дппжиы быть
выше определяемый по формулам (68) и (69) вследствие, быстрого
затвердевания стали. Оно может частично произойти до момента, пол-
ного распределения металла по форме и до получения металлом необ-
ходимой скорости вращения. Получаемое явление «скольжения»
характерно для центробежной заливки стали, вследствие чего требует-
ся повышенная скорость по сравнению с другими металлами.
Поэтому для определения числа оборотов путем последовательных
экспериментов 1польэуются для первого приближения различными эмпи-
рическими формулами типа
170)
V R
W-i, 71)
где N — число оборотов;
к и kj — некоторые константы;
R — внутренний радиус формы.
Формулы типа (70) основаны на постоянном, определенном экспе-
риментально для данных условий, отношении центробежной силы
к силе тяжести. Например, для заливки стали -в песчаную форму на
основе ряда работ можно -принять, что центробежная сила должна
быть в 75 раз больше силы тяжести. Для тонкостенных отливок эта
сила определяется по внутреннему, для более массивных, по наружному
диаметру.
Формулы типа (71) основаны на постоянной, также определенной
экспериментально, оптимальной окружной скорости. При заливке сталь-
ных втулок цилиндров авиамоторов иа ряде заводов применяют окруж-
ные скорости от 300 до 525 м]мин. Прн отливках ббльшего диаметра
допустимы скорости от 900 до 950 м/мин., а по некоторым данным
(для массивных отливок) даже до 1100 м/мин. В виде первого прибли-
жения -число оборотов N можно определять из известных формул
N = ~= об/мин или N= -j~ об/мин. где R — наружный радиус
отливки, мм.
Для иллюстрации может служить пример центробежной заливкн
крупного стального барабана диаметром 1250 мм. Число оборотов при-
нималось 220 в мин., заливка 3900 кг продолжалась 102 сек. (С]г~
= 37J5 кг/сек). Металл подавался через литник с 5 питателями разме-
ром 32 X 32 мм. Окружная скорость достигала 875 М/'мин.
1 Подробно излагается в руководствах по специальным видам, литья.
130
Влияние состава стали. ее повиода и питания ля Качество отливок
4. Методы и данные расчета литниковых сметем
Размеры литниковых систем оказывают второстепенное влияние
на качество стальных отливок по сравнению с расположением и общей
конструкцией этих систем. Эта подчиненная роль очевидна при незам-
кнутой литниковой системе, легко получающейся при заливке через дно
ковша. При замкнутой же системе влияние ее размеров возрастает.
Расчет размеров литниковых систем, для стальных отливок необходимо
производить во всех случаях. При расчёте определяются время
и скорость заливки. Кроме того. При расчете, несмотря на его
приближенность, можно избегнуть излишнего расхода металла, который
неизбежен при практикующейся прирезке литников сиа-глаз».
Определение времени заливки z сек или весовой скорости в
G/z кг]сек является основой расчета литниковой системы. Сам расчет
по существу сводится к решению дЬух задач при данном расположе-
нии литниковой системы:
а) расчету сечений «узкого места» (ври замкнутой си-
стеме обычно сечение питателей Fn, при незамкнутой — обычно сечение
стаканчика ковша F»);
б) расчету сечений остальных элементов систе-
мы (литниковых ходов F„ х, стояка Ftt) и иногда емкости чаши.
1) Методы и данные расчета сечений питателей или стаканчика
ковша. После определения оптимального времени заливки z отливки
весом G кг (см. стр. 423) расчет узкого места литниковой системы про-
изводится по формуле
-F-U-Z=f Fz • i'2g7i. ,72,
где Q— количество протекающего металла, кг;
t — удельный вес его;
F — сечение канала, см2;
И — действующий напор.
Дейстаительное количество протекающего металла G будет мень-
ше теоретически рассчитываемого по формуле (72), так как влияют
сжатие струи, разные гидравлические и теплофизнческие потери, свя-
занные со свойствами металла и формы, а также конструкция литни-
ковой системы. Объединяя все эти потерн некоторым коэфициентом
расхода j*< !, можно определить, что
t; Q - , /- • у-) 2gll кг.
Принимая для жидкой стали pw?6,9, сечение F узкого места лит-
никовой системы может определиться, как
Если для замкнутой литниковой системы необходимо получить
узкде место в устье питателей, ¥0 их сечение определится, как
!.=£- т—--- — /)«’. (74
- Н 31 Н
где Н— средний металлостатнческий напор за время z. устанавливае
мый с отмеченным выше приближением по формуле (67);
и — коэфициент, зависящий от разных сопротивлений движению
металла в литниковой системе и в форме
Подвод металла а стальных атливкак
431
Для этой формулы, получившей распространение под названием
формулы Озанна, несмотря на то, что она является только простой
интерпретацией известного уравнения Бернулли, необходнмо сделать
несколько уточнений.
а) Величину О часто нельзя рассчитывать, как вес отлийки
с прибылями и выпорами. Строго считая, G есть вес жидкого металла
за узким сечением литниковой системы. Если узкое сечение не в пита-
телях, а перед потайной прибылью, то в G входит вес этой прибыли
и ее. перешейка к отливке. Если же отливка заливается через литнико-
вую систему только на часть высоты верхней прибыли, а остальная
часть заливается прямо из ковша сверху, то в расчет G входит вес
отливки с соответствующей частью прибыли. Наконец, если в форме
заливается несколько отливок, то G следует принимать для каждой
отливки в отдельности. Суммарный же вес п - G необходим для опреде-
ления весовой скорости истечения металла из ковша и расчета стояка.
б) В р е м я z определяется по кривым, рис. 278 или для'неболыпих
отливок по формулам стр. 424. Однако это время необходимо прове-
рить но линейной скорости поступления металла в форму и, гливное,
п-о скорости его подъема для отливки данной конфигурации.
На основе различных исследований автор рекомендует для отливок
тонкостенных и небольшого развеса Допускать линейную скорость
поступления ст'али в форму 1,0—1,25 м/сек, а для более простых
и крупных -отливок до 1,5 — 2,0 м/сек.
Скорость Же подъема металла в тонкостенных и сложных отливках
должна быть больше, чем в простых или крупных. Автор рекомендует
скорость подъема соответственно 20—40 и 10—20 мм/сек. по высоте
отливки. При этом необходимо отметить, что при слабой термоустойчи-
вости формовочных смесей скорость подъема металла д крупных
отливках должна быть повышена. Аналогично, необходимо применять
повышенные скорости для легированной стали или при заливке кокиль-
ных форм.
в) Коэфициент и всегда меньше единицы и по ряду данных
может иметь значения от 0,17 до 0,90 [40]. Большой диапазон воз-
можных значений р вполне понятен, если учесть многообразие влнящ-
щщс факторов, начиная от жидкотекучести металла и кончая сопротив-
лением формы из-за различной ее газопроницаемости.
При исследовании 76 различных по конфигурации отливок
с различными величинами //. получены средние значения р для сталь
пых отливок 0,35 (колебания от 0,30- до 0,41), для чугунных отливок
0,42 (колебания от 0,27 до 0,55), для отливок из цветных сплавов 0,65
(колебания от 0,60 до 0,70).
Таким образом, при прочих рйкных условных, уже только различ-
ная жидкотекучесть металла может оказывать значительное' влияние
на коэфициент р-
При исследовании влияния газовой подушки в форме при плохой
ее газопроницаемости, определено изменение коэфициента р от 0,2
(заливка вовсе без выпора) до 0,7 (заливка с 4 выпорями) (рис. 281).
П. Н. Бидуля {121], вес э ед у я большое количество ствльных отли-
вок, заливаемых сифоном, имеющих толщины стенок от 8 до 15 мм
и вес от 75 до 250 кг. определил коэфициент р от 0,35 до 0,48. Иссле-
дования П. Н. Бидули также установили важное для практики поло-
жение, что чем меньше приведенная толщина стенок
стальной отливкя, тем меньше коэфициент |i.
С. О. Бируля [122], исследуя влияние поворотов в литниковой си-
стеме, определил, что в результате получающегося торможения и гид-
равлических потерь коэфициент р для чугуна изменяется от 0,33 до
Влияние состава стали, ее подвода и випми.4 па качество отливок
432
0,49 При этом установлено, что потери при повороте струи металла
в литниковой системе на 135° вдвое мевьше, чем при более резком до.
вороте на 90°. Прн очень плавном повороте, по дуге -.большого круга,
потери оказываются одинаковыми. Это явление следует объяснить
Коэ/рец.-р
W
уменьшением жидкотекуче-
сти вследствие большего
понижения температуры ме-
талла из-за длинного пути.
§ 2Sf,e
д
!Л</
/г
- *
.27
0 1 2
4 Sbmopo
Рис 281. Влияние сопротивления газов
в полости формы на коэфициеит Р и вре-
мя заполнения Z (а - - без выпора, б, в,
в — от I до 4 выпоров диак 30 мм.
д — 1 выпор днам. 60 ям)
Попытки некоторых ис-
следователей теоретическим
путем рассчитать коэфица-
ент р на основе законов
гидравлики не смогли охва-
тить влияния всех условий
получения отлнвки и приво-
дят в копенном счете к ис-
пользованию в практике
только формулы (74), за-
даваясь коэфицентом j*.
На основе различных
исследований автор реко-
мендует для сложных лит-
никовых систем и большого
сопротивления формы при-
нимать коэфициеит р ==0,^5—0,30; для обычных отливок, не имеющих
каких-либо особенностей, р = 0,30—0,40; для простых нлм крупных
отливок с большой линейной скоростью заполнения р = 0,40—-0,50.
Широкие -пределы, принимаемые в расчетах для величины р, поз-
воляют их применять для замкнутых систем, пренебрегая динамическим
напором поступления металла из ковша (через носок или дно). Прн
массовом производстве, когда величина н и соответственно сечение
питателей должны устанавливаться на основе последовательных экспе-
риментов более точно, следует учитывать уже и эти условия, дающие
различный динамический напор. Кроме того, при заливке через дно
ковша для ряда опок нельзя будет сохранить замкнутость системы.
Узким сечением ее окажется стаканчик ковша. Для расчета количе-
ства вытекающей из ковша стали рекомендуется принимать величину
ц = 0,8—0,9 (прн полностью открытом стопоре).
г) Величина Н формулы (74) при замкнутой литниковой систе-
ме определяется как средний -металло-статический напор (стр. 426). Не-
замкнутая система из-за заливки через дно ковша должна во всяком
случае полностью принять 'поступающее количество металла. В этом
случае, при данном сечении стаканчика ковша, величина Н меняется
в зависимости от количества вытекающего металла (например, от Р
до Р—L, см. рис. 274).
Расчет соотношеяай сечения питателей и стаканчика для началь-
ного и конечного напоров Р и Р — L дан в формулах 63—€6. (Конкре-
тизируя эти формулы, под р2 следует считать рл ковша, а под
рз— ту величину р, которая может получаться в форме мри замкну-
той системе и напоре Л (см. рис 274).
При печах различного тоннажа выбирают для данных отливок
ковши, имеющие для оптимального времени заливки z наиболее под-
ходящую высоту. Но чаще приходится для ковшей с данной высотой
металла выбирать стаканчики различного, сечения с целью обеспече-
ния требуемого времени заливки z.
Подвод металла в стальник отливках
433
Таким образом, установив время заливки z, вес металла G, про-
ходящего через узкое сечение литниковой системы, и соответствующий
напор Н, можно, задавшись коэфициентом ц, определить по формуле
(74) это узкое Течение, часто являющееся сечением питателей.
2. Методы и данные расчета соотношений размеров элементов лит-
никовой системы. Определив сечение питателен Fr, можно для дан-
ной литниковой системы путем расчета соответствующих потерь уста-
новить сечения литниковых хйдов. Fa я И стояка FCT. Как отмечалось,
подобный расчет сложен и не может точно охватить многообразие
всех действующих факторов, в особенвортч теплэфизЛ'НрИч» ГЬяг«-
му для расчетов, основанных обычно на рассмотренных выше различ-
ных эмпирически выбираемых ^оэфнциентах (для U, zb р) целесооб-
разнее задаваться также и определенными величинами ц н в соот-
ношении размеров титпиковоЭ системы (сгр. 421),
/;==« Ъ. X=a, F„. (75)
В замкнутой литниковой системе, имеющей узкое’ место F„, коэ
фмцнепты а и а 1 должны быть больше единицы. Существует много
различных рекомендации величин а н aj. В качестве нвиболее обоб-
щающих можно привести дли чугунного литья известные данные
Л,: Ь,., ; /„ = I : 1,5 : 2
пли более экономичные данные Ново-Крамзторского-завода нм Статин»
: 1,2: 1,4.
Эти данные близки к ранее рекомендованным ацтздюм соотноше-
ниям для стальных отливок [37]
F. „ эГ„= 1 : (1,1 до 1,25) : (1,25 до 1,4).
Приведенные соотношения оказались удовлетворительными в прак-
тике. вследствие чего могут быть использованы для незамкнутых сис-
тем В такой системе постепенно уменьшающееся от стойка сечение
литниковых каналов при устройстве шлакоуловителей прецрхралп.
ливку от засоров.
Однако три высоком качестве формовочных смесей для литнико-
вых каналов, тщательной и частой их прошнпловке и особенно при
применении фасонных огнеупоров можно цля экономии металла при-
менять и простое соотношение
Г„;ГП. ,:/*„ = ! :1:1.
Многочисленные практические наблюдения не обнаружили в этих
условиях дефектов в статьных отливках, так же как и при соотноше-
нии 1 : 1,2.1
Очевидно, что рассчитанные F , Fn.» и Fo являются су мм a pL
Н ы м и сечениями, подлежащими пропорциональному уменьшению для
каждого элемента в зависимости от их числа и расположения
(см. стр. 421 и рис 277).
Расчет литниковом чаши ведется по количеству металла, обеспе
чивающего и течение заданного времени (2—5 сек.) гесовую скорость
заполнения от швеи G/z кг сек. Конструкция чаши для стали иногда
отличается от общепринятой для чугуна специальной перегородкой,
задерживающей шлак, попадающий из ковша через носок.
При заливке через дно применяется литниковая воронкй, имеющая
сечение не меньшее, чем у стакаичикт ковша.1
1 Примеры расчета литниковых систем дли еежиорых типовых егтлявож ярвве-
дены о пособии -Методическое руководство к лабораторным эанытнямл, соспвлеи-
кафедрой сЛнтеПное произп''’стВо» Ленинград » v’ но •томш'. -к о института
им. *М И. Каляпина
28 >3як. 79. 10 А Псхспчзл
ГЛАВА XIV
УСТАНОВКА ПРИБЫЛЕЙ И ВЫПОРОВ НА СТАЛЬНЫХ
ОТЛИВКАХ
В производстве стальных отливок роль выпоров значительно мень-
шая, чем в производстве чугунных отливок, вследствие необходимости
установки прибылей. Лишь при заливке тонкостенных стальных отли-
вок без прибылей или при применении потайных и закрытых прибылей
возрастает роль выпоров, В этих случаях выпоры необходимы так же,
как и высокая газопроницаемость формовочных смесей и усиленная
вентиляция формы. Выпоры должны предохранить ферму от взрывного
хлопка вследствие интенсивного газообразовании, облегчить заполнение
формы удалением газового мешка, предохранить отливку от образо-
вания газовых раковин. Кроме того, выпоры дают возможность наблю-
дать за условиями заполнения формы, что необходимо для выяснения
причин брака и борьбы с ним.
При наличии же открытых прибылей, позволяющих полнбстью
н даже лучше осуществить перечисленные функции выпоров, надоб-
ность в их установке отпадает Выпоры обычно ставятся на самом
высоком уровне металла, достигаемом при заполнении формы. Через
выпоры, расположенные ниже верхнего уровня стояка, может быть
перепущено некоторое количество металла. В производстве стальных
отливок такой перепуск металла применяется очень редко вследствие
возникающих опасностей и напряженной работы при разливке
Выпоры иногда помещают ниже верхнего уровня металла в фор-
ме для сигнализации достижения металлом определенной зоны в от-
ливке. Но и в этом случае выпоры следует делать таких малых разме-
ров, чтобы металл, только показавшись в лих, застыл. Выпоры
в стальных отливках не могут и не должны играть
роль приб ылей.
Только открытые верхние прибыли могут сочетать свою
основную роль — питание жидким металлом затвердевающей отливки,
с ролью выпоров. Закрытые же верхние прибыли обычно имеют
выпор или специальный вентиляционный канал как самостоятельный
элемент своей конструкции (см., например, рис. 296)
При расположении, конструировании и расчете прибылей часто
ориентируются только на обеспечение условий подачи металла в обра-
зующиеся внутри отливки усадочные раковины. При этом упускают
из виду не только отмеченную роль прибыли как выпора, но и как
резервуара для всплывающих в отливке неметаллических включений
и ликвационных выделений. Эта роль прибыли имеет особенно большое
значение в массивных, крупных отливках. Прн учете такого назначения
прибыли уже нельзя ограничиться установкой только боковых пли ниж-
них потайных прибылен. Для подобных отливок приходится устанав-
ливать обязательно верхние прибыли, с достаточно ботыиой поверх-
ностью соприкосновения их с отливкой.
Верхние прибыли наиболее эффективны по своему комплексному
влиянию на качество отливки. Они сочетают возможности удовлетво-
Установка прибылей и выпоров на стальных отливках
435
рения всем требованиям многообразного назначения прибылей- Основ-
ное требование — питание жидким металлом, осуществляется совмест-
рь.м влиянием атмосферного давления и металлостатического напора.
В боковых прибылях эти возможности уже меньше. В потайных же
прибылях необходимо простановкой специальных стерженьков исполь-
зовать атмосферное или газовое давление уже для преодоления силы
тяжести и подачи металла в образующиеся раковины вышележащей
части отливки (см. рис. 93).
Вместе с тем боковые и потайные -прибыли получают широкое рас-
пространение, так как верхняя прибыль является наилучшей только
в том случае, если перекрывает значительную часть верхнего и притом
наиболее массивного сечения отливки. Во многих случаях такую уста-
новку большой -прибыли трудно осуществить технически и всегда
невыгодно экономически. Кроме того, расположение прибылей необхо-
димо увязывать с расположением литниковой системы, что, в свою оче-
редь, часто предопределяет необходимость установки боковых илн
потайных прибылей.
Однако во всех вариантах установки прибылей незыблемым остает-
ся положение, по которому прибыль должна быть так расположе-
на, чтобы обеспечить питание жидким металлом наи-
более медленно затвердевающую часть отливки.
Это .положение определяет, следовательно, создание таких условий, прн
которых металл в прибыли затвердевает последним
Для обеспечения наиболее позднего затвердевания металла в при-
были имеется много средств. В первую очередь следует правильно оп-
ределить расположение, условия заполнения и охлаж-
дения прибыли. Затем уже необходимо правильно определить ее
размеры.
Из теории образования усадочных раковин известно, что их объем
определяется главным образом сокращением объема жидкого металла
внутри отливки за период ее затвердевания. Размеры прибыли должны
обеспечить восполнение этого сокращения объема с учетом парвллель-
ио идущего сокращения объема в затвердевающей части самой при-
были. Уже в силу Этого условия работы прибыли нельзя получить иде-
ального положения, при котором прибыль после затвердевания отливки
была бы пустой. Этого возможно достигнуть только специальным, рас
сматриваемым ниже методом работы по уменьшению размеров прибы-
лей путем их обогрева электрическим током илн газотворными экзотер-
мическими смесями.
Но даже получение пустой прибыли, после полного использования
ее металла для питания образующихся раковин в отливке, не исчерпы-
вает предназначенной роли прибыли ею впитыванию разных вклю-
чений. Поэтому верхняя часть крупной отливки, с плотным, без види-
мых усадочных раковин металлом под нустой прибылью, может ока-
заться пораженной включениями. В качественной и ответственной от-
ливке эта верхняя часть всегда должна являться частью прибыли или
удаляться в виде повышенного припуска механической обработкой.
Таким образом, верхняя прибыль достаточно крупной отливки со-
стоит из зоны собственно усадочной раковины (обычно в верхней части
прибыли), зоны усадочной рыхлости — под раковиной, и зоны, обога-
щенной всплывшими включениями (нижняя часть прибыли и частично
зона усадочной рыхлости). Следовательно, размеры прибыли долж-
ны обеспечить не только достаточно длительное нахождение жидкого
металла в ней для полного питания отливки, но и получение здо-
ровой верхней части отлнвки, свободной от включений.
При определении размеров прибыли необходимо также учитывать,
что усадочные раковины и рыхлости, при одном и том же объеме, мо-
28*
436 Влияние состава стали, ее подвода в пнГЬния ка качество Отливок
гут иметь различные форму и расположение. В зависимости от конфи
гурацин отливки и прибыли, метода ее заполнения (сифоном или свер.
ху), жидкотекучести, температуры металла и скорости его заливки
температуропроводности металла и формы, скорости охлаждения upiu
были — можно получать различную форму усадочной раковины.
Получение плоской, широкой, концентрирован
ной усадочной раковины является важным условием получе-
ния здоровой отливки и минимальных размеров при-
былен Такая форма раковины зависит от приемов заливки» влияю
щих на выбор фазмероц и конфигурации прибылей.
Из изложенного следует, что расчет размеров прибылей, без при
нятия определенных эмпирических зависимостей и коэфнциентоа, пред
ставляет собой такую же сложную задачу, как н расчет литниковых
систем.
Основной задачей при расчете является определение м и и нм а ль
ных раамеров прибыли, обеспечивающих ее затвердева-
ние позже соответствующего сечения отливки,
Как известно, время затвердевания г определяется в первом при-
ближении приведенной толщиной отливки R и соответствующей кон-
стантой затвердевания к, -причем z ~ Я7А;а (см. стр. 35).
Следовательно, время затвердевания прибыли ^Rn2lktB дол-
жно быть больше времени затвердевания соответствующего сечения от-
ливки ^Ro-jb оа. Можно- отметить, что
Из этого следует, что большее время затвердевания прибыли,
имеющей идентичные условия охлаждения с отливкой (одинаковые
константы затвердевания йп — Ло_), получается при Rn>Ro (приведен-
ная толщина прибыли больше, чем отливки).
Вместе с тем полная эффективность действия прибыли и обеспе-
чение условии z„ z„ > 1 могут быть достигнуты не только при оди-
наковых приведенных толщинах прибыли и оттивкн, но даже пра
</?о. Для этого нужно применить так называемую диференциаль-
нуто, различную скорость охлаждения прибыли и v-
л ц в к и. Необходимо, чтобы применением, например, стенок формы
с различной., температуропроводностью или с различным разогревал
проходящим металлом по высоте отливки скорость охлаждения прг
были была значительно меньше, чем отливки (константа затвердева-
ния k„ < ka).
Таким образом, варьируя приведенными толщинам
прибыли и отливки, а также различными условия^
охлаждения их, можно обеспечить замедленное за/
твердевавне прибыли. Прн правильном же расположена
и форме прибыли, учитывающем форму и расположение образующейся
усадочной раковины, будет обеспечено плотное строение отливки.
Учитывая особенности конфигурации отливки, можно также сбег
лечить и впитывание прибылью различных включений.
А РАСПОЛОЖЕНИЕ ПРИБЫЛЕЙ И ВЫПОРОВ
I. Общие условия работы прибылей
Оищнс условия работы прибылей зависят от их р а ело том v-
» н Я, размеров и конфигурации, г по с о Г» л заполнен hi
II охлажден» я.
I
tf'cratfOBKa прибылей -и ыпорм нЛ стальные огливкал
Из рассмотрения формы н положения усадочной ракОвинЫ в слит-
ке уожно было установить (см. рис. 70,1), что при равной толщине сте-
лою отливки и прибыли (Ro = Ro ) высота обычной прибыли должна
составлять не менее 100% от высоты отливки (усадочная раковина
проникает на 50% всей высоты слитка). Соответственно, в отливке
с расширяющейся кверху прибылью (/?<, >R0) нысота ев должна со-
стазлКть не менее 50%. а при расширяющейся книзу прибыли
(Кл <Rn) до 200—300' ui высоты отливки (рис. 70, 2 и 3).
Получающиеся объели прибыли, соответствующие этим высотам
и сечениям, чрезмерно ь.’ики н приводят к большим непроизводитель-
ным потерям особенно епи учесть, что собственна объем усадочноГг
раковины сравнительно мал. Вместе с тем из этого примера видно, что
даже при одном и том -се объеме упадочной раковины, сделав
/?,>RO, можв^ знач 11 ьно ywi ньшить и»:оту и объем прибыли
Применение же специальных мероприятий, из которых наиболее эф-
фективны разогрев метг.чла в прибыли и питание им отливки под дав-
лением, позволяет еще более уменьшать размеры прибыли.
Совершенно аналот чные угтовия работы прибыли получаются
и в фасонной i-т ивк Например, при обычной июне цилиндра
(кольца) без яримеиеяия специальных мер ыо зм фыть установлена
I
а б
Ряс. 283. Внешний вид н разрезы оглнэок, а также определение методом изотерм
формы и расположения усадочных раковин в цилиндре с кольцевой цилиндрической,
конической и местными прибылями
сплошная круговая, так называемая «ко ль ц ер а я» прибыть. Ее вы-
сота должна быть равной высоте отливки (/7П = ЯО), если толщины
прибыли и отливки одинаковы (R„ — R,)- Кольцевая прибыль
с Rn> Ro может быть уже сделана меньшей высоты (Н„ <//о), но
также приводит к огромному и непроизводительному рвсходу металла
(рис. 282 а, 6).
Вместе с тем даже простой метод йзотерм-изосолидусов, несмотря
на свою приближенность и качественную характеристику явлений, дает
прямое указание о возможности замены сплошных прибылей мест-
ными, кольцевых — сегментными, рис. 282, в.
2. Местные прибыли
При применении местных прибылей вместо сплошных даже
при обычнык условиях заливки резко сокращаются потерн
438
Влияние состава стали, ев подвода и питания на качество отливок
металла. Установка таких прибылей особенно эффективна в кр\и-
ных отливках. Специальные мероприятия при заливке (доливка прибы-
лей, разогрев их порошком типа термита и т. п.) позволяют еще более
уменьшить ризмер местных прибылей и соответствующий расход ме-
талла, рис. 283.
Как видно из рис. 282 и 283,' при применении местных прибылей
прямое питание получают только части отлнвки. находящиеся не-
Рис !83._ Внешний пид отливки и процесс заливки бандажа
цементной печи диам. 3900 мм с 4 местными небольшими
прибылями. Заливка ведется через два стояка, равномерно
через 4 пита тетя. Для обеспечения свободной усадки и пре-
дотврашеввя горячит трещин во внутреннюю полость фор-
мы установлены два шкива, вынимающиеся краном после
заливки
посредственно под прибылями. Только из этих частей в прибыль мо-
гут всплыть разные включения. Части же отливки, находящиеся меж-
ду прибылями, получают уже не прямое питание, а боковое, причем
Установка прибылен и выпоров на стальных отливках
439
включения из нил в прибыль всплыть не могут. Это недостаток мест-
ных прибылей.
Для борьбы с ним необходимо устанавливать кольцевой по-
вышенный ври пуск на обработку на верхней част отлив-
ки. Этот припуск перерастает иногда для некоторых особо ответствен-
ных отливок даже в небольшую сплошную прибыль, иа которой мже
устанавливаются 'местные прибыли (см. цилиндр турбины, рис. 2).
В обычном же ассортименте отливок сплошные прибыли могут допус-
каться только для небольших сечений.
Необходимо также учитывать, что местные прибыли, представлен-
ные на рис. 283, имеют такие небольшие размеры вследствие отмечен-
ных выше специальных мероприятий при заливке и сравнительно мало
Рис 284. Внешний вид отливка большого зубчатого колеса (№ барабаиа
цементной печи) с многочисленными местными прибылями
1
напряженных условий работы отливкя. Для более ответственных круп-
ных отливок (шестерни, зубчатые венцы) автор применял большее ко-
личество местных прибылен, рнс. 284.
По данным ряда заводов1, в обычных условиях заливки, суммарная
длина секторных прибылей составляет не менее Vs и не более */э
длины окружности (при высоте 1,0—1,25 высоты отливкя). При такой
длине и высоте прибылей и достаточно большом верхнем припуске на
обработку обеспечиваются требуемые условия их работы для получе-
ния здоровой отливки. Влияние на работу прибылей прямого и боково-
го их расположения, различной формы и размеров, различных условий
заливки и охлаждения может быть установлено из исследований отли-
вок даже простои формы (куба, призмы).
Куб сечением 150 мм заливался с 6 различными типами прибы-
лей (квадратными, круглыми, шаровыми, боковыми) в различных ус-
ловиях. Сечение прибытий было меньше сечения куба. Несмотря на
высоту прибыли, в полтора раза ббльшую высоты отливки, во всех
случаях отливка оказывалась пораженной усадочной раковиной. Уса-
дочная раковина проникала в тело отливки тем глубже, чем тоньше
переход от прибылей к отливке. Наибольшее поражение имеет отливка
куба с боковой прибылью (рис. 285).
Все отливки рис. 285 заливались при одинаковой температуре
н скорости заполнения в сухие песчаные формы с подводом метатла
в отливку сверху, а в прибыль сифоном. В этих условиях, при практи-
чески близкой константе затвердевания отливки и прибыли, усадочные
раковины поражают тело отчивки не только если R п^?о или если
* Например Уралмашзавод [123].
440 Влияние^ аостова еяамц е& подвода к питоняя на каяестяо '"•«'юг
Рис. 2S5. За пика углеродистой сталью (0,20—0^5’,S С) в сухие
палэт/е формы губа 150 мм d 6 различными типами прибылей:
lui — цплплдрк’|<>кая прибыль ишимроя ЮТ п 135 ми. а — пщ-
рагиы to- erqxlHoii 10U нм, 4 — цильЛтричеекал лнааптрпм IM мм еужчгь
щш^я arci ..-в -боковая (itjiobsjiк • -рич'гкая иуаривая! лплммт-
рЬЧ 150 М1Г с и^рошаРцом Т* нЛ. Злчгрн-. ны — • мг ги - ., по
Фшнппслим ршреикм отливок
прибыль сужается книзу Усадочные раковины нс будут выведены пол-
ностью в прибыль, даже уширяющуюся кинзу, до размера сечения от-
ливки (рис. 286, 1, 2).
Форма врнбыдн рве. 286,2 принята обычно л производстве слитков.
При одинаковых условиях охлаждения конической прибыли и отливки
усадочная раковина поражает отливку даже при прибыли, имеющей
высоту, равную огливке. Кроме того, при данном подводе металла
и более массивная сплошная прибыль с /?и — Ro и Нп = Н тоже ока-
зывается недостаточной (рис. 286, 5).
Только при уширяющейся прибыли, с Rl>Ro’, мож-
но прн сифонном ее заполнении получить здоровую отливку,
без принятия специальных мер при заливке (рис. 286, 4).
Вес подобной прибыли, несмотря на ее небольшую высоту, может
достигать 75% веса отливки (рис. 286, 4). Подобное соотношение меж-
ду весом прибыли и отливки часто встречается в практике, но не мо-
жет считаться оптимальным. Поэтому принимаются различные меры
для уменьшения размеров прибылей и расхода металла на них. Неко-
торые уже отмечзтпсь ранее. Например, заливка свеоху, непосредствен-
Установка. прибылей и выпоров на стальных отливках
Рис. 286 Заливка углеродистаб сталью (0,20—0,25#} С) куба стороной ISO мм
а различных услоьнах (зачернены—усадочные раковины ио фактическим разрезам
отливок):
1 — пребыть отчюяьв 1X5, ушкроющиоя книзу до 150 ** Ии высота М 1 — то ж*,
но равномерно юшрвющаася кнвэу, В — прибыль сторовв# и высотой Н — 160 мм’ Нп—
— То же, ушаоающмм кверху до И5 -«я; В — велжвхв сверку, непвсрвдвТвивво
В — прибыль в твллонэоллцяоиной формовочное смесят
целиком и иа подоввну четвертой гр*ни (со стороны подвода металла): 11
пяти граням куба (кокильная форма) •
но в прибыль рассматриваемой относительно толстостенной отчнвкп
(квадрат 15D мм). дает концентрированную усадочную раковину. Она
поражает тело отливки меньше, чем при прибыли таких же малых раз-
меров, но залитой сифоном, рис. 286, 5.
Медленная заливка (G/z = 3 по сравнению с 5—6 кг/сек для дру-
гих отливок рнс. 285 и 286) дает здоровую отливку даже при уши-
ряющемся кинзу прибыли (рис. 286, 6).
Подобная прибыль дает хорошо сконцентрированную усадочную
раковину, не разобщенную верхней коркой от атмосферного давления,
если дополнительно к медленной заливке применить засыпку разогре-
вающим порошком, типа термита (риГ7 286, 7).
Эффективно влияют на уменьшение размеров прибылей проводи-
мые еще прн формовке искусственные мероприятия по достижению
различной скорости охлаждения прибыли и отливки
(kn < kv). В песчаных формах, имеющих вообще малую температуро-
проводность, замедленное охлаждение прибыли достигается примене-
нием обогрева формовочной смеси вокруг прибыли или подбором спе-
циальной смеси, имеющей очень малую теплопроводность. Эффектив-
ность влияния подобной теплоизоляционной смеси, особенно при
засыпке прибыли после медленной заливки разогревающим порошком,
видна на рнс. 286, 8.
Еще более сильно влияет на уменьшение размеров прибылей раз-
личная скорость охлаждения, достигаемая применением внутренних
и наружных холодильников в отливке, что приводит в пределе
к кокильной форме (рнс. 286, 9, Ю, ft).
1 J. Iron a. Steel Iifct, 1945. I-
w
Влияние состава стали, се подвода и питания на качество отливок
Сильное влияние металлической формы для собственно от-
ливки и и есч а й для прибыли наглядно усматривается в
практическом прию-яснии к фасонной отливке на рнс. 255 321 и к слит-
кам (утепЛённая прибыль) на рис. 287 [28а].
Сравнительные сводные данные о весе прибылей относительно от-
ливки (куба стороной 150 лл) и глубана поражения усадочной рако-
виной в зависимости от размеров при-
форма форма
Рис. 287. Усадочные раковины
.в слитках диаметром 275 ям. за-
литых в идентичных условиях
в Чугунную (схем) и сухую пес-
чаную /справа) форму
были, условий заливки и охлаждения
представлены на рис. 288.
Наихудшие результаты дают при-
были с малым сечением, даже в тех
случаях, когда вес прибыли из-за
большой высоты, достигает 75 Ж веса
отливки (зона Л). Более широкие
прибыли при 75—80% от веса отлив-
ки уже обеспечивают ее плотность
(зона В). При применении теплоизо-
ляционных материалов для прибыли
или металлической формы для отливки
вес хорошо работающей прибыли по-
нижается до 45—50% от веса отливки
(з о и ы С и О) и может быть снижен
еще более.
Для отливок с большоГг протя-
женностью, имеющих большое отно-
шение длины к толщине
установка сплошной прибыли мо-
о w го за so во ?о so so too
• Вес приВв/м относительно куба, *А
О № 20 30 чО 50
Вес лриВЬ/ли относительно куба+орибЬлЪ °А
Рис. 288. Сводные данные о весе прибылей н поражения усадочным
раковинами отливки куба стороной 150 мм в различных условиях
заливки (по даяным рис 285 а 286)
Установка прибылей ti выпоров на стальных отливши
443
жет быть допущена только в виде исключения. Для серии подобных
отливок с отношением Ua — 2. 3 и 4 было также произведено соответ-
ствующее исследование работы прибылей, сочетающих условия прямого
и бокового питания (рис 289).
Рис. 289. Эалнмсж углеродистое сталью (0,20—0,25% С) брусков
150 X 150 мм длжпоЙ 300, 450 и 600 мм (зачернены усадочные
раковины ио фактическим разрезам отливок);
I — одвос-горояпее боковое литвине отлнвки длкмоВ, рйвиоЖ инжиеЯ
сторонне»
ipn теплоизоляциоимоЖ снеси; В — влияние отдаленного иедвода «
таила; В. I* и 11, как 1,1 и 8 при тройной tim'i ясной дпяяе отяияя
п , 300
Для отливки с £.fl = -jgg= 2 прибыль сечением 100/150 и высотой
225 мм. достаточная для питания куба I- = [, оказалась малой.
несмотря на нес 52,4% по отношению к отливке (рис. 289./).
При уменьшении скорости заливки с 7,2 кг,сек (рис. 289, /) до
4,7 кг/сек поражение усадочной раковиной отлнвки уменьшилось (рнс.
289, 2), ио полностью ликвидировалось лишь прн теплоизоляционном
материале вокруг прибыли (рис. 289, 3)
При установке прибыли по середине длины отливки таким образом,
что по обе стороны ее боковому питанию (подвергается длина отливки,
равная лишь половине ширины (прибыли, полное питание обеспечивается
также только при теплоизоляционном материале (рис. 289, 4 и 5).
Для более длинных отливок L/a~ 3 относительный вес прибыли
таких же размеров уменьшается до 35%, но поражение усадочной
раковиной получается более глубоким. Оно ликвидируется также толь-
ко теплоизоляционной формовочной смесью (рис. 289, 6, 7).
Но в таких отливках удаленный от прибыли подвод металла
вызывает уже появление местной усадочной раковины (рис. 289, в).
Поэтому для отливок с отношением Ц'а=4 прибыль шириной
U4 только при доливке, как указано на рис. 283, может обеспечить
получение здоровой отливки. При постановке же более мошной при-
были, с шириной L/3 и относительным весом около 50%, можно уже
полностью сконцентрировать в ней усадочную раковину, но и то при
теплоизоляционном материале (рис. 289, 9, 10).
Кроме того, недопустим отдаленный подвод металла (рис 289, //).
Влияние тпгва’Лпли. се ткЯййЗй к питания ни качество птдцпок
Ия' рассмотренного вСС-леДованйя, а также из рнс. 283 следует, ФгЬ
прм принятии гпецйальнЫх мер можно протяженность местных прибы-
лей -юиеста до 30—35% соответствующей длины отливки. Отмеченные
выше заводские данные (до 50—65%) относятся й обычным условиям
заливки, без теплоизоляционных смесей или доливкн прибыли. Можно
принять, чт^хорошо работающая без слеш
быль сросиЛа яапйтатьЛ обе Стоуонц по 0,’
Этй oco|pHnocti работы iiedijux лрцбц.
менепиЬ-ЛВйбвы* прибылей. .
[чъиых мер местная при-
—Г,0 своеф ширины.
н объясняет также при-
3. Боковы^ прибыли
м прибылям сшршньиф и
-;од*ры.ты^ * закрытые, а
Аналог'ш,
ют боковы'____,____ж _,_г___ г________, ______________
Боковые прибыли рационально применять аналогично прямым мест-
ным. только для цдлт^ж'енных отлккок, с большим отноше-
есгным, сушеству-
и местные.
Ряс 290. Заливка. длинной отлипли — гор»,.™..,». |льи» .
Лг* kWriftb, Сифоном и сверху, стиестиымй боковыми прибылями:
1 — гвщзаатяицо с жесткой лшбылъю: а —• жаився ввр™<-
кнцлп улфапои. л — п> ях>. сцврхк; 4 - - то же с биковоЛ открытой
’ «рпНнявш; S — tBjiirao]-,ro.u.no, V ОпсойЬв ort ptm.fl прпбтли.ю
былей Но сравнению t верхними местными прибылями заключается
в возможности лучшего питания меньшими прибылями чрезмерно длин-
ных чЯтшвок ( £п©>4). Облегчении удаления этих прибылей, уменьше-
нии механической обработки, расхода формовочных материалов и об-
щей трудоемкости изготовления формы. Этп преимущества можно ви-
деть - из данных рис 290.
Заливка длинного бруска с Lfa — 4,5 может быть произведена го-
ризонта 1ьно, с установкой местной прибыли. Как видно было из рис.
989, при таком отношении Lfa требуется достаточно мощная прибыль,
так как одна - малви но протяженности прибыль не обеспечит здоровой
отливки, В Особенности при невозможности подать металл непосред-
ственно в эту прибыль (фис. 290, /).
При заливке д.ишной и тонкой отливки ровной толщиной менее 50 и
иногда даже 75 ям нельзя -набежать усадочной рыхлости» как отмечалось
рййёс, ни при залввке снфоТюй. ни сверху. При заливке же сифоном
ботее толстой отливки (100 X 100 ям) усадочная рыхлость
н е-и з'б ечж-м а ма-сеивной прибыли (рис. 290, 2).
Только при применении для стенок формы материалов с различной
теплой’оводаюстыо (большой для нижней части формы и малой — для
Установка прибыли и- на сталыщх ^главках ,
верхней) можно добиться полностью наира» ichhuiv к тщдбылн затвер-
девания в подобной отливке с ровной толщиной стенки, заливаемой
сифоном (рис 103). При заливке „с в е р х у устанавливается б.олее
благоприятный температурный градиент. Однако дефекты, получаемы^
в такой отливке при падении металла с большой высоты, часто ограни-
чивают я подобных изделиях возможность установки прибыли и залив-
ки сверху по рис. 290» 3.
Прн применении сплошной боковой прибыли и горизонтальной за-
ливке через прибыль можно подучить здоровую отливку (рис. 290, 5).
Это объясняется тем, что при данном методе заливки металл посту-
пает в далеко удаленный ot1 прибыли ’конец отливки уже значите тьна
охлажденным. Благодари этому отливка затвердевает быстрее, чем куц
заливке сифоном. Например, для отливки 100X100X450 лл [124] было
путем установленных термопар определено время затвердевания
12 мин. при горизонтальном расположении с боковой прибылью
по рис. 290, 5 и 17 мПн. при сифонной заливке по рнс. 290, 2.
Таким образом необходимо всегда иметь в виду, что константа
затвердевания к, служащая для определения времени Затвердевания Z
по приведенной .толщине R, зависит не толькр от материала стенок
формы, но и от фактической температуры формы и металла. Эт^ озна-
чает» что на процесс затвердевайпя отливки1 окйзргеаёУ влияние^ при
прочих равных условиях, не столько температура стали, поступающей
из KOBika. сколько температура фали и разогрев стрпок-формьг#епо-
средственно в полости, обраЦоцщей собствй)но отливку'. Бмыпое значе-
ние имеет также двиМешзе металла в ncvaictu фбр^ыЛойо приводит,
при сифонной звлиаке,.к_бодьщеру разогреву стецен формы, чей* прн
заливке сверху или горизонтально через боковую прибыль
В рассматриваемом способе заливки по рис 290, S йОнстяМта
затвердевания прибыли получается значительна меньшей, чей у отлив-
ки (An < kD). Это является одним из основных факторов, определяю-
щих возможность применения боковых прибылей и направленного
к ним затвердевания отливки. Разогревающее влияние всего проходя-
щего металла настолько велико, что перешеек от прибылцг к отливке
может иметь сечение меньйее, чем у отливки. Эффективность пита-
ния от этого не уменьшается, возможность же удаления прибыли qr
отливки значительно облегчается (см. также рис. 79, 4,—6)
На этой особенности затвердевания отливки и .прибыли прн
воде металла в прибыль основываются современные, методы установки
как потайных прибылей с Использованием атмосфер’-
ню го или г а зо й 6 го давления, так и дегкоотбиваемых
прибылей.
Например, риссматрнваемую о!лнвку 100 X 100 ХЧ.50
залить вертикально с рядом преимуществ сифонной заливки, но с- бо-
лее благоприятным температурным градиентом, так как отсутствует
верхняя большая прибыль (рис. 290, <4).
Боковая прибыль рис. 290, 4 под влиянием атмосферного и метал-
лостатического капора обеспечит получение отливки без видимых уса-
дочных рановин. Однако различные включения застрянут в вердощ*
1 Для иллюстрации бо.тыпв*ю влияния ваадгрев* стеной жолбю отменять, что
R б,0?5 - £
отливка рис 290,5 аатведлсл* ч₽яе» ifl мпли, э. ft к я •* -р 0,050 -JT
(спотостгтпует среяпсй величине х б,OR fr '4ttC г tSf. с.тр. J/J’ Оттпвжа же
рис 290. 2 затвердели через ТТ-мки. что сол¥еетот(гт 1 Уже пмичпп« я »* • чЛ: * .
т. е. на 1Г’% неяыле.
44«
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
части отливки. Требуется также усиленная вентиляция формы во избе-
жание появления газовых раковин. Боковая прибыль рис. 290, 4 имеет,
кроме этих технологических, также экономические недостатки, так как
размеры прибыли получаются большими.
Борьба с этими недостатками привела к созданию специальных
конструкций боковых прибылей, развивающихся в последнее время
н ставящих теперь по-новому вопросы установки прибылей для ряда
отливок. I
4. Потайные прибыли
Прежде всего необходимо проанализировать общие условия рабо-
ты нижних боковых потайных прибылей, использующих атмосферное
Давление.
Принцип действия таких прибылей рассматривался ранее (стр. 160)
Эти прибыли явились следствием естественного стремления уменьшить
размеры боковой прибыли типа рис. 290, 4. Кроме того, прибыли
рис. 290. 4 при образовании верхней корки, разобщающей их от
атмосферы, могут работать под влиянием только металлостатнчесиого
Рве. 291. Нарушение бвлавсь даалеяий.вкут'рн затвердевающей отлижи. что
ведет к лггвкнк» прибыли за счет отливки (нврушеняе баланса давлений,
слева — из-за газовой раковины; сврева — из-за поступления охлажденного
металла в прибыль Д)
напора. Он имеет меньшую величину, чем атмосферное давление. В ко-
нечном счете в прибыли рис. 290, 4 действует металлостатический на-
пор, определяемый только разницей верхних уровней прибыли н отлив-
ки (200 мм на примере рис. 290, 4).
В некоторых случаях образования верхней корки прибыль может
быть не только мало эффективной, но даже вредной, вызывая образо-
вание усадочной раковины в отливке вместо прибыли. Это
явление наблюдается не только при боковых я нижних потайных при-
былях, но даже н при прямых верхних (см. например [125]), рнс. 291.
При образовании иерхней корки в боковой прибыли питание отлив-
ки может происходить только под влиянием металлостатического напо-
ра (рис. 291, слева). Если в отливке случайно появится газовая рако-
вина, сообщающаяся с атмосферой, то жидкий металл из срединных
зон отливки будет уже питать прибыль. Имеющаяся разница давлений
(1ат — h - у) может привести к тому, что верхняя часть прибы-
ли окажется совершенно плотной, а внутри отливки
появится усадочная раковина (рнс. 291, слева).
Аналогично, прн заливке коленчатого вала (рис. 291, справа) ме-
талл через боковые прибыли В и 'С поступает в форму. В верхнюю
прибыль А, установленную на массивной части отливки, металл при-
ходит уже значительно охлажденным,. Благодаря этому в прибыли А
образуется верхняя корка, разобщая ее от атмосферы значительно
раньше, чем в прибылях В и С. Металл прибыли А сможет питать от-
ливку уже только под влиянием своего собственного веса. Металл же
из' прибылей В м С питает отливку под влиянием, не только своего
Установка прибылей и выпоров на стальных отливках.
447
веса, но и атмосферного давления В результате массивная часть отлив-
ки под прибылью А будет уже для нее играть роль прибыли. Если при-
были В и С недостаточно велики, то после затвердевания прибыль А
может оказаться п четной, а отливка под ней с усадочной раковиной.
Следовательно, нарушение баланса давлений в от-
ливке и недооценка сильного влияния атмосферного
давления приводят к неправильному испотьзова-
кию не только потайных, но и открытых боковых и л и
прямых прибылей.
При правильном же использовании атмосферного давления нижняя
закрытая прибыль типа рис. 79 и 93 может иметь значительно меньшие
размеры, чем боковая открытая рис. 290, 4. Как указывалось, в тон-
костенных отливках такая прибыль может работать более эффективно,
чем верхняя закрытая прибыль.
Несмотря на указанные преимущества, применение внжних потай-
ных прибылей с использованием атмосферного давления ограничивается
рядом их недостатков. Игнорирование этих недостатков может приве-
сти к неправильным представлениям о чрезмерно широком применении
этого нового типа прибылей. Прежде всего нижние потайные прибыли
так же, как и боковые типа рис. 290,4, не могут впитать всплываю-
щих включений, поражающих верхнюю часть отливки. Даже боковые
прибыли типа рис. /290, 5 прн горизонтальной заливке более пригодны
для этой роли прибыли.
Кроме того, потайная прибыль сама является источником засоров
в отливке, так как узкое место литниковой системы неизбежно полу-
чается перед прибылью, а прц ее заполнения возможен обгар формо-
вочной смеси из купола. Сборка формы с такой прибылью должна про-
изводиться особенно тщательно, с аккуратной очисткой полости при-
были и стояка от мусора. Сама форма, из-за боковой потайной при-
были, получается увеличенных размеров, что требует применения
больших опок и повышает расход формовочных смесей. Решающим
же недостахком лотаннои прибыли, ограничив-.....< > |фягснение,
является сравнительно малая высота отливкт -вер-, ющаяся
воздействию этой прибыли.
Теоретически, если бы полости образующих -и в ц вающей
отливке у , '.очных риковин были действительно бе .душным про-
странстном, атмосферное давление могло бы поднять жидки а цг-алл из
нижней потайной прибыли на вью ту около 1500 мм ( •< стр. 160)
В действительности же в образующихся усадочных рако» > полу-
чается противодавление из-за ассоциации в молекулы дшрфу) дирую-
щего атомарного водорода и других газов. Так, например, А. Д. Попов
[126] определил в прибыли массивного стального валка шмленне газон
в 2.36 ат и 92 % Н в их составе.
Следовательно, эффективность действия । , йнтх щ* былей,
испол- 1ую*»х атмосферное давление, зависит в шльной ста *ни от
газос^держання стали. Кроме того, при ецдритиой кристал-
изации стали нарушается непрерывность жидг ч ф. i ( < рис. 24),
что затрудняет питание оттивки При эгом сче.'-ет т > читывать,
что питание происходят только под влиянием разницы между атмо-
сферным давлением н металлостатическим напором, определяемым вы-
сотой отливки. При верхней же прибыли действующий дополнительно
к атмосферному давлению металлостатический напор помогает метал-
лу из прибыли преодолевать соответствующее сопротивление питанию
Отлнвки. В результате потайная прибыль с использованием атмосфер-
ного давления может питать сифоном стальную отливку только иа вы-
соту 150—300 мм выше своего верхнего уровня, как доказали для
448
Влияние состава стали, ее побвода и питания на ка'пстбо отливок
обычных производственных условий многие отечественные исследования
(Л. И. Фанталов и Л. И Леви [127] и др *).
Рнс. 292. Метод установил выжоров и вн-
крытой потайной прибыли, питающей тон-
костенную низкую оливку использованием
только атмосферного давления
В СВЯЗИ С ЭТИМ ОСНОВНЫМ
недостатком пижиис закрытые
прибыли, питающие под ат-
мосферным дав пением выше-
лежащие части отливки,
могут применяться только для
сравнительно и кэких
отливок, рнс. 292.
В схеме рис. 292 следует
обратить внимание Па конст-
рукцию выпоров и перехода
от стояка к литниковому ходу
в прибыль. Выпоры делаются
плоскими и тонки»/, с боль-
шим отношением поверхности
охлаждения к объему, для то-
го чтобы ускорить их затвер-
девание и обеспечить быстрое
разобщение металла отливки
и прибыли от воздействия ат-
мосферного да в-гения (послед-
нее должно передаваться в
прибыль только посредством
специального газопроницаемо-
го стерженька, могущего
иметь даже вентиляционные
канал и погружаемого в гтрн-
Рнс. 293. Местные прямые верхние р открытые боковые прибыли
в большой стальной отливке улитки водяной турбины (заливка
в цементную фирму)
' Б. К. Василевский Е. В Алой и 1. В. Бутилов в НИИ Министерства транс-
портного машиностроения, Б. Б. Гуляев и И. В. Грузных в НИИ Министерства
вооружений. Б. В. Рябнооввч н М. Е. Брылев — Производственно-технический бюл-
летень ИКВ 1945, ГА 91
Установка прибылей и выпоров на стальных отливках -Му
быль до се ссредю!ы). Переход от стояка к литниковому ходу делается
ио принципу двустороннего закруглении вместо острого угла. Такая
конструкция ликвидирует влияние «термического узла» и «теплого
угла» (см. рис. 87, 138А). Иначе, вследствие замедленного затвердева
ния острого угла и образования какой-либо газовой раковины илн тре-
щины в его корке, нарушится требуемый «баланс давлений» и необ-
ходимые условия направленного затвердевания, вследствие чего при-
быль будет плохо питать отливку.
Для более высоких отливок необходимо применять этажную
установку потайных прибылей, подобно рис. 82, либо прямо высокие
открытые боковые прибыли, работающие под суммарным атмосферным
и металлостатическим напором (рис. 293).
В некоторых случаях может оказаться
комбинированная установка
использующих атмосферное давление,
и верхних открытых обычных прибы-
лей (рис. 294 и 295).
Металл заполняет отливку через
потайные прибыли В, использующие
атмосферное давление. Тонкие сечения
х затвердевают раньше более массив-
ной части отливки, расположенной
под прибылями Л и Л'. В отливке по-
лучаются две самостоятельные зоны
питания, несмотря на сифонное запол-
нение, требуемое денной конфигураци-
ей изделия.
Получение подобных самостоя-
тельных зон питания чрезвычайно
важно для большинства отливок. Для
получения таких зон необходимо вы-
держать «баланс давлений» жидкого
металла в затвердевающей отливке
(ем. рис. 295).
В схеме1 рнс. 295 термические
также целесообразной
нижних потайных прибылей.
Рис. 294. Комбинированная уста-
новка нижних закрытых прибы-
лей (S), использующих атмо-
сферное давление, и обычных
открытых верхних прибылей
узлы D" и D” питаются потайными
закрытыми прибылями, работающими под разницей атмосферного дав-
ления и соответствующего металлостагического напора. Узел О' пи-
тается обычной верхней прибылью, работающей под суммарным атмо-
сферным и металлостатическим давлением Очевидно, что с самого на-
чала затвердеввиия отливки ее питание может осуществляться только
из прибыли узла О'. Прибыли ® узлах £>" и О'" не работают Лишь
с момента затвердевания стенки опивки в сечении А— А получается
самостоятельная зона питания для нижней прибыли в узле О"'
(рис. 295, 2). В дальнейшем, как только затвердеет сечение В — В,
образуется вторая зона питания из прибыли в термическом узле О"
(рис. 295,3). Отливка получится здоровой (рис. 295,4).
Прн ином ходе затвердевания рассмотренный баланс давлений был
бы нарушен. Тогда верхняя прибыль должна была питать ие только
отливку, но и нижние прибыли в узлах П” и О"' Если бы в верхней
прибыли образовалась корка, разобщающая ее от атмосферы, то при-
быль узла D” должна была бы питать верхнюю часть отливки с уста-
новленной на ней прибылью.
1 В схеме всполыовани данные отчетг А. Рыжикове и К) Шкабатура
450 Влияние состава стали, ее подвода и питания на качвогво отливок
Рнс. 295. Схема хил з.лвердивания отливки с двумя лослЛиыыи (с и«-
нуском) и одной открытом верхней прибылью в условиях соблюдении
баланса давлений жидкого металла
На рнс. 296 приводится иллюстрация подобных методов установки
потайных (с напусками) и открытых верхних прибылей в современной
практике изготовления стальных отливок, имеющих трудно доступные
для питания термические узлы.
Потайные прибыли с напусками (подливные прибыли) установлены
для обеспечения направленного к ним затвердевания и лучшего разо-
грева формовочной смесн (уменьшение константы затвердевания потай-
ной прибыли прн невысокой отливке, см. рис. 79, 6).
При решении вопроса о выборе рассматриваемых типов прибылей
необходимо также учитывать, что при питании отливки только под
влиянием атмосферного давления возможно образование мельчайших
межкристаллитных усадочных раковин, не обнаруживаемых невоору-
женным глазом. Они могут вскрываться лишь при глубоком травлении
и проявлять свое влияние на пластичность стали.' Так, например, при
исследовании различных конструкций пробных планок было определено,
что в тонких планках (толщиной 25 мм), залитых с нижней и с боко-
вой прибылью «од атмосферным давлением, удельный вес стали
(0,25% С) составил 7,807 против 7,819 в топорнкообразной планке
типа рис. 328. При этом удлинение оказалось 24 н 19% против 32%,
а относительное сужение 30 и 27% против 47%. В более толстых план-
ках (100 X 195 X 120 мм) вследствие более медленного затвердевания
Установка прибылей и ыПоров на стальных огласка* 451
Рис. 296. Комбвиированная установка потайных (с напуском) и оттры-
lux верхних прибылей в отливках со сложными условиями питания
термических узлов
этого явления обнаружено уже не было [39J. При рассматриваемом
ниже применении в потайных прибылях тазового давления вместо
атмосферного обеспечивается получение более плотного строения стали
с малой межкристаллитной рыхлостью.
Очевидно, что во всех случаях открытых или закрытых прибылей
наиболее выгодно использовать сочетание атмо-
сферного давления и металлостатического напора,
если не применяется специальное газовое давление. Как пример мож-
но привести удачный опыт заливки корпуса клапана совсем без при-
были, только за счет полного питания из толстого, очень высокого
стояка помощью атмосферного и большого металлостатического дав
чения, рнс. 297.
Не следует считать, что использование атмосферного давления
необходимо и является характерной особенностью только нижних
закрытых прибылей. В простых открытых верхних прибылях, если
только специальными мероприятиями (засыпкой малотеплопроводных
или разогревающих порошков, качанием и т. д.) не дать образовываться
29*
Илняние состава стали, ее подвоза и питания н8 качество отливок
тонкой корке вверху прибылей, всегда будут сочетаться два вида дав-
ления. В закрытые же верхние прибыли, часто более целесооб-
разные для небольших отливок, чем открытые, — также полезно встав-
лять стерженьки для использования атмосферного или тазового давле-
Рис. 297. Контрастное сравнение двух одинаковых отливе- туса клапана,
залитых без прибита за счет питания из толстого, высок • стояка (става)
и с массивными «напускными» прибылями ( • а)
ння. Для питания отливок t такими закрытыми прибылями атмосфер-
ное или газовое давление оказывается более эффективным, чем метал-
лостатический напор.
С этой точки зрения большое технико-экономическое значение име-
ют боковые прибыли, достаточно массивные, медленно затвердевающие
под атмосферным давлением независимо от того, являются они откры-
тыми или закрытыми. Такие прибыли особенно выгодны, если они
питают одновременно веско iько отливок по только
уменьшается относите чьими расход металла на прибыли, но и облег-
чается их удаление.
Например, из данных рис 285 следовало, что для куба размерим
150 мм боковая прибыль полезной высотой 225 мм и диаметром IOOjw.m
при нерешейке 75 мм оказалась недостаточной. Для заливкн же дву*
таких кубов 150 мм одна боковая прибыль полезной высотой 145 мч
в диаметром 200 мм при перешейке диаметром 100 мм оказалась
вполне достаточной. Она обеспечила плотность не только этих дв\х
отливок, ио по крайней мере еще отпой, сети бы опа быта пряре
зана, рис. 298.
Аналогичный эффект? получается и для малых отливок при мень-
шей боковой прибыли, если она делается для замедления затвердевания
закрытой и используется атмосферное давление (рис 299) |127}
Таким образом, боковые прибыли, открытые или закрытые, могут
иметь диирокос применение и дать значительный технико-экономический
оглнбо/с
Установка прибылен и выпоров па стальных orwmux 45.1
ся два вида дав-
более целесооб-
се полезно встав-
газового давле-
ъглями атмосфер-
нвным, чем метал-
ское значение имс
но затвердевающие
ляклся они откры
выюдны, если они
вок не только
были, по и облег-
ли куба размером
[диаметром 100 мм
я заливки же дву«
w высотой 145 мм
00 мм оказалась
только этих дв\ X
} она была прирс
отливок при мень-
№НИЯ затвердевания
с 299) ,127)
пи закрытые, могут
нико-экономический
-154
Влияние остава стали, ее пиовода и. питания на качество отливок
эффект, если соблюдены наилучшие условия их работы. Эти условия-,
прибыли должны быть достаточно массивными; должно использоваться
газовое или атмосферное дав.> лик. в некоторых случаях полезно одно-
временное использование мета.постатического напора; металл должен
подводиться непосредственно в 'прибыль; одна прибыль должна питать
несколько отливок. При этом в верхней части отливок, если >»ет верх-
ней прибыли, следует ожидать скопления различных включений.
5. «Центробежные* прибыли-питатели
Работа боковой прибыли прн одновременном Ьоздействии атмо-
сферного давления и металлостатического напора, а также одновремен-
ного питания нескольких отливок желательна, но не обязательна. Боко-
вые прибыли могут иметь технико-экономический эффект также при
питании одной отливки, так как их установка позволяет уменьшить
механическую обработку и облегчить работу по отделению прибыли.
Кроме того, боковые прибыли могут быть легче установлены, чем верх-
ние, в различных термических узлах отливки, нуждающихся в особой
подаче металла для питания.
Примеры заливки отдельных, довольно крупных отливок с одной
боковой прибылью представлены на рис. 300.
Шкив диаметром 565 мм и весом 104 кг залит с большим выходом
(70%) по жидкому металлу и после чрезвычайно простой операции
отделения боковой прибыли может поступить на механическую обработ-
ку с небольшими припусками. Еще более массивное ходовое колесо
(см. рис. 299, слева) залито с выходом в 77% и с боковой закрытой
•прибылью, использующей атмосферное и металлостатическое давление.
Имеются данные о заливке подобным методом даже такой крупной
отливки, как опорная плита весом 38 т, высотой 1600 мм, с тремя
мощными боковыми прибылями весом 15 г [124].
Боковые прибыли рис. 300 отличаются тангенциальным
подводом металла, что способствует всплыванию неметаллических вклю-
чений в них. Такне прибыли имеют известные преимущества перед рас-
мотренными ранее боковыми прибылями. Подобный метод подвода
металла в боковую прибыль известен давно для мелких отливок из ков-
кого чугуна и цветных сплавов. Для сравнительно крупных стальных
отливок он введен недавно и получил название ^центробежных»
(«волчковЫх») прибылей-питателей.
Б. МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ РАЗМЕРОВ ПРИБЫЛЕЙ
И ОБЛЕГЧЕНИЯ ИХ ОТДЕЛЕНИЯ ОТ ОТЛИВКИ
I. Размеры прибылей и удаление прибылен от отливок
Чрезмерно большие прибыли не только невыгодны экономически,
но часто вредны технически, так как они способствуют образованию
горячих трещин (большие местные разогревы, стесненная усадка).
Вместе с тем для эффективности действия прибыли большие размеры
ее вовсе не обязательны. Сохранение металла в прибыли в жидком
состоянии в течение необходимого времени может быть достигнуто
рядом дополнительных мероприятий: рациональной формой прибыли,
заливкой и доливкой ее горячим металлом, разогревом
прибыли и т. д.
Процесс отделения прибылей также имеет большое технико-
экономическое значение. При установке прибыли всегда нужно учиты-
вать, какими средствами она будет отделена, какой трудоемкости эта
работа, каков будет товарный вид отливки. Имеющиеся в конкретных
Установка прибылей и выпоров на стальных отливках
«и
местных условиях те или иные возможности отделения прибыли (огне-
резкой, пилой, долблением и т, п.) часто заставляют устанавливать
прибыли, не сообразуясь с наиболее простыми условиями получения
здоровой отливкн. Для некоторых отливок из легированной стали, не
поддающейся ни огнерезке (кислотоупорные, жароупорные), ни механи-
ческой обработке (сталь Гадфильда, высоколегированная кремнистая),
установка прибылей с учетом легкости; их отделения имеет особое
значение.
456
Влияние состава стали, ее подводя и питания на клтесгяо отливок
2. Уменьшение размером прибылей изменением ых формы
Влияние формы прибыли на ее размеры сводится к тому, чтобы
при выбираемой приведенной толщине прибыли R„ она имела мини-
мальную поверхность охлаждения. Цилиндрические
(круглые) прибыли более эффективны, чем призматические (квадрат-
ные); эллиптические — лучше параллелепипедальных и т. п Наилучшей
формой прибыли с точки зрения минимальных тепловых потерь является
шар. 1
Путем элементарных подсчетов можно убедиться, что при замене
квадратной прибыли круглой той же высоты можно будет сэкономить
21,5% металла при сохранении одинаковой длительности затвердевания.
Еще более значительна экономия при замене прямоугольных местных
прибылей круглыми. При замене прямоугольной прибыли с отношением
сторон 2: 1 круглой экономия получается 30%, а при отношении 4 1
даже 50%.
Однако не всегда можно из-за конструкции отливки заменить
прямоугольник» прибыль круглой. В этих случаях необходимо приме-
нять эллиптичные прибыли поскольку острые утлы быстро за
i-вердевают, мало влияя на общую длительность затвердевания прибы-
ли. Расчеты В П Тункова 1128} показали, что ври эллиптичных при-
былях возможна экономия металла до 17% при сохранения эффектив-
ности их работы.
Также во многих случаях из-за усложнения формовки нельзя уста-
новить точно шаровую прибыль. Но часто можно придать прибыли
сферическую форму. Такая сферическая прибыль может быть
открытой для крупных отливок или закрытой для мелких.
Закрытые сферические прибыли для большого ассортимента отли-
вок мелкого и среднего развеса были весьма широко применены
Н. В. Вишняковым 1129] на Кировском заводе в Ленинграде, затем
подробно исследований усовершенствованы И. Е. Шубом и С. А. Кутьи-
ным [130}, а также В. П. Десивпким [‘131] для отливок из легированной
стали. Работа этих прибылей и их построение по принципу «вписанных
окружностей» (стр. 148) усматриваются из рис 301 [/129}.
Для небольших отливок влияние атмосферного давления на работу
закрытой прибыли более эффективно, чем металлостагического напора
D<Bj<Dz
'<<dt •{dfZl=1.7dgl
Рис. 301 Сплошная и местные сферические, шарообразные
грибная на отднпке маховика
Установка прибылей и выпоров ча стальных >тлчвых 4И
Вместе с тем корке твердого металла, разобщающая жидким металл
пт атмосферы, в этих прибылях образуется особенно легко. Поэтому
установка в закрытые нртбылн газопроницаемых стерженьков для
использования атмосферного или газотворных стерженьков для нсполь
зевания газового давления должна быть рекомендована, так как
уменьшает расход металла и улучшает работу прибыли.
В общем виде оптимальное отношение между высотой h н диа-
метром d цилиндрической прибыли для обеспечения минимальных
тепловых потерь определяется нахождением минимальной
поверхности охлаждения для данного объема V.
Принимая, что охлаждение прибыли происходят со стороны боко-
вых и верхних поверхностей (нижняя поверхность соединяется с отлив-
кой). можно определить поверхность охлаждения прибыли радиусом
r~d!2.
О=4м-*4««
я объем прибыли
№ - h,
откуда
О=—' +«*, 1771
Г
Для определения минимума поверхности охлаждения необходимо
первую производную выражения (77) приравнять нулю. Тогда опре-
делится
г«(|»’ьи-*- = • 178)
Высоту ft необходимо увеличить на припуск от 10 до 50 мм для
огнерезки прибыли н для всплывания включений.
Для цилиндрических открытых прибылей соответствующий расчет
устанавливает ft,'2r — h/d — I н в практике рекомендуется принимать
h/d— 1 до 1,5.
3. Уменьшение размеров прибылей способом заливки их
Размеры прибылей крупных отливок существенно зависят от
способа заливки: сифоном или сверху. Для небольших же отли
вок способ галцвкп практически не алияет на размер и форму уса-
дочной раковины, в стедовательно, и на размер прибылей. Это поло-
жение может быть проиллюстрировано результатами статистического
исследования М А Кремером 1132] большого количества различных
Отливок (рис. 302).
Из рисунка видно, что лишь для приведенных толщин выше 1,2—
1,4 см (приблизительно 30—50 мм обычно понимаемой толщины
стенки) при сифонной заливке требуется заметное увеличение толщины
лсгкоотбиваемой прибыли 1 Высота же прибыли практически не изме-
няется.
В крупных отливках при сифонном наполнении устанавливается
настолько неблагоприятный температурный градиент по высоте при-
были, что усадочная раковина п рыхлость вытягиваются. Поэтому се-
чение и высота прибыли должны быть значительно увеличены.
Необходимо подчеркнуть, что это положение, известное и широко
распространенное также в производстве слитков, правильно только
при одинаковых температурах и скоростях заливки
’ Для прибылей другой конструкции зто увеличение толщины прибыли потре-
бовалось бы при несколько большей толщине стенок отлнвки.
45»
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
стали. В практике при заливке сифоном нескольких отливок в одной
опоке или нескольких изложниц на одном поддоне температура и ско-
рость заполнения могут быть меньше, чем при заливке сверху из того
же ковша каждой отливкн в отдельности. Требуется резко уменьшить
Рнс 302. Зависимость для сегментных, легко-
отбвввемых прибылей между приведенной тол-
щиной их R„, отливкн Ro и способом заливки
диаметр стаканчика ковша или применять промежуточные воронки,
чтобы при заливке сверху приблизиться к температуре и скорости
заполнения сифоцом. Для иллюстрации значения этого положения была
приведены результаты исследования автора, рис. 83.
Два слитка мягкой стали залиты из одного ковша, практически
при одной температуре, но с различной скоростью наполнения. Считок,
залитый сверху за 47 сек. (слева), имеет глубоко расположенную уса-
дочную раковину с признаками вторичной усадочной раковины Слиток
справа залит сифоном в течение 4 мин. и имеет более короткую,
четко сконцентрированную ус'адочную раковину в верхней своей части.
Таким образом можно значительно уменьшить размеры прибылей
крупных отливок, если применить их заливку сверху, однако с непре-
менным соблюдением условия возможно более медленного за-
полнения. Как известно, при медленном заполнении поступающий
жидкий металл уже во время заливки компенсирует начавшуюсяот-
ливке усадку жидкого металла и rfafcce частично усадку при затверде-
вании.
ДЛя представления о достигаемых скоростях заполнения возможно
привести некоторые производственные данные.
Поперечина пресса весом 165 т заливалась 6 мин., а прибыли от
33 до 45 мин. Аналогичное соотношение между скоростью заполнения,
большей для отливки и возможно менылей для прибыли, необходимо
соблюдать также в более мелких и в кокильных отливках. Например,
крупная кокильная отливка из легированной стали весом 2500 кг зали-
вается 80—90 сек., а прибыли весом всего 300 кг 70 -80 сек.
Для правильного анализа влияния на размеры прибыли заливки
сверху илн сифоном и соответствующей скорости заполнения необхо-
димо учитывать характерную особенность изготовления фасочных от-
ливбк.
Установка прибылей « выпоров на стильных итливких 4д9
Процесс кокильном заливки гнезда горловины на рис. 255 построен
так, что одновременно заливаются сверху четыре изделия. Следователь-
но, даже при верхней заливке, как и при заливке сверху слитков че-
рез специальные «корыта», можно добиться уменьшения скорости за-
полнения каждой фасонной отливкн применением многоместной формы.
Чтобы отливка заполнялась строго сверху, следует пользоваться
«карандашной» и «дождевой» литниковой системой с большим количе-
ством питателен по всей длине отливки. При одном же питателе в ус-
ловиях истинной заливки сверху находится только та часть отливки,
которая расположена по ходу металла. При одном питателе металл
после падения сверху растекается и все остальные части отливкн за-
полняются уже в иных условиях. Нет непрерывного разогрева нижних
зон отливки проходящим при сифонном заполнении металлом. Нет я
резко выраженного противотока между падающим сверху металлом я
Рве. 303. Залявха сверху несколькими струями через
прибыли крупной отлввки посредством специальной лит-
никовой ча<»< «корыта»
подымающимися вверх газами. Поэтому соответствующие дефекты от-
ливки, характерные для верхней заливки, (могут получиться при верти-
кальном подводе металла сосредоточенной струей только в ограничь
ной части отливки В нижних зонах отливки уже во время заполнения
может начаться процесс затвердевания. Он направлен в сторону при-
были, и при замедленном заполнении можно значительно уменьшить
ее размеры
Изложенные соображения об гнь-ч«. к?п верхней пойачя читал-
яа сосредоточенной струей сохраняют свою силу и при заливке круп-
ных отливок несколькими струями сверху непосредственно через при-
были, рис. 303 [S],
В схеме рис. 303 отливка может быть залита через обычный стояк
на любую высоту, а затем через специальную литниковую чашу-«коры-
то» металл подается отдельными струями в каждую прибыль сверху.
Заливка может производиться также только сверху.
Многие отливки из-за своей конфигурации, качества формовочных
смесей и других рассмотренных ранее причин должны заливаться толь-
ко сифоном. Поэтому для такой заливки разработан ряд приемов,
позволяющих уменьшить размеры прибыли путем использования усадки
жидкого металла уже во время заполнения формы.
Кроме малой скорости заполнения, должна производиться так на-
зываемая «подпитка» или «подкачивание» отливок. К концу
заполнения формы па несколько секунд закрывают стаканчик стопа-
Jbfl Влияние состава стали, ее подвода и питания ни качество отливок
ром прекращаю! подачу стали из ковша. Затем в литник вновь добав-
ляют некоторое количестве металла. При этом уровень прибылей толь
кб колеблется, но не подымается (отливка «дышит»). Следовательно,
добавленный металл пошел только на заполнение того сокращения
объема, который же начался в отливке. Благодаря атому уменьшает-
ея объем усадочной раковины и прибылей.
Метод подпитки особенно эффективен для отливок, заливаемых
в кокильные формы или с закрытыми прибылями.
В кокильных формах отливка затвердевает быстрее, чем в пес-
чаных, а литниковые ходы, выполняемые обычно в огнеупорах или
стержнях, значительно медленнее. Благодаря этому, подпитывание от-
ливки жидким металлом может итти более длительное время. В ре-
зультате можно не только уменьшить прибыли, но и получить мини-
мальное развитие усадочной рыхлости даже в высоких отливках, с ров-
ной и сравнительно небольшой толщиной стенок.
В отливках с закрытыми прибылями подпитка весьма эффективно
осуществляется даже в песчаных формах. Быстро образующаяся
в верхней части прибыли твердая- корка и слой формовочной смеси над
прибылью не дают прорваться наверх жидкому металлу, находяще-
муся под большим напором в стояке
Рис. 304 Усадочная раковвна в 2-т
листовом слитке, залитом с охлаж-
дением волом своей головной части
.не подиитжай
По исследованиям автора, подобную подпитку можно осуществить
также в крупных слитках из спокойной стали, заливаемых сифоном.
Через 20—40 Сек. после заполне-
ния на верхнюю поверхность го-
ювной части слитка, для ускоре-
ния ее затвердевания, можно
тить воду. Поручающаяся твер-
дая корка не дает прорваться
поступающему в маточный лит-
ник дополнительному металлу;
идущему на заполнение образу-
ющейся усадочной раковмны.
При надлежащем подборе сече-
ния титинковых ходов в соответ-
ствии со скоростью затвердева-
ния слитков можно длительным
подпитыванием почти заполнить
образующуюся усадочную рано
вину (рис. 304).
При подпитке иногда прида-
ют очень большое значение вы-
соте стояка, утскдя из ви-
ду, что влияние металлостатичс-
ского напора меньше влияния атмосферного давления Д1я эффектив-
ности подпитывания прежде всего необходимо, чтобы металл не за-
твердевал не только в литниковых ходах, но и в литниковой во-
ронке. Если допустить в периоде подпитки образование твердой
корки на верхней поверхности стали в литниковой воронке, то подпи-
тывание отливки произойдет только под влиянием металлостатического
напора. При превышении уровня стояка над верхним уровнем отливки
в 500 мм металлостатичеСкий напор будет только около 0,3 ат. Прч
поддержании же металла в жидком состоянии в воронке во все время
подпитки будет действовать давление в I ат даже ври одинаковых
уровнях стояка и отливки. Очевидно, что только в некоторых случаях
Установка прибылей и выпаров но стальных отливках
461
избыточные 0.3 или даже 0,5 ат при чрезмерно высоком стояке, как
изображено на рис 297, могут оказать положительное влияние
Несмотря на значительную эффективность, применение для тел ь^
ной подпитки в практике ограничено. Подпитывают обычно только
несколькими перекрываниями стопора во время заполнения прибыли.
Длительная подпитка задерживает разливку, создает опасность прн
мерзания пробки к стаканчику ковша Необходимо иметь литниковую
систему сравнительно больших размеров, предотвращать затвердева-
ние стали в литниковой воронке Получение безусадочных отлншж
типа рис. 297 н 304 в техническом пределе вошожно также только при
малом газосодержанин стали (малом противодавлении в рбрязукццепси
усадочной раковине).
В больших отливках, заливаемых с открытыми прибылями, наи-
более эффективным средством уменьшения их размеров является п р я
мая доливка Через определенные промежутки времени после ва-
Рис. 305. Заливка шабота весом 16 т с сравнительно малой
прибылью (влияние внутренних холодильников, подвода ме-
талла, доливки и засыпки прибыли)
тивкив прибыли крупных отливок добавляется свежий горячий металл.
Это мероприятие особенно легко осуществляется в литейных, имеющих
наряду с мартеновскими также бессемеровские и электрические печи
из которых можно быстро взять небочылие количества очень горячей
стали.
Так, напркиер, од-ливка бандажа весим в 16 т с 4 малыми мест-
ными прибылями (рис. 283) велась таким образом, что 14 т мартенов-
ской сГали заполняли отливку до высоты только 50 мм в прибылях.
После этого заранее заготовленный ковш с горячей бессемеровской
сталью (около 2 т) подавал ее в каждую прибыль а отдельности. Кро-
ме того, через 1—2 часа после заливки производилась вновь неболь-
шая добавка горячего металла. Таким методом заливки можно было
еще больше уменьшить размер прибылей, если бы не существовало
опасения получить местные, чрезвычайно разогретые зоны отливки, соз-
дающие возможность образования горячих трещин и напряжений.
Отливка станины пресса весом 165 т доливалась через 2 часа пос-
ле заливки бессемеровской сталью в течение 4 мин. и через 5 час. еще
раз Мартеновской сталью в течение 6 мин. При заливке шабота весом
16 т путем подобных добавок свежего металла в последний раз через
8 час. после заливки и простановки большого количества внутренних
холодильников удалось установить прибыль с толщиной, значительно
меньшей, чем у отливки, рис. 305.
<65 Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество ЬгливоК
Большое уменьшение прибылей в рассмотренных примерах объяс-
няется не только доливкой металла, но и высокой температурой доли-
ваемого металла Это увеличивает температурный градиент между
прибылью и отливкой Аналогично, внутренние холодичьникн, расплав-
ляясь, не только дают известное количество метал а, но охлаждают
металл в отливке, что также ведет к увеличению соответствующего
температурного градиента Получающаяся разница в скоростях
охлаждения прибыли и отливки является в жным меро-
приятием для уменьшения размеров Прибылей.
4. Уменьшение размеров прибылей регулированием скорости
охлаждения отливки и прибыли
Сохранение металла в жидком состоянии до момента полного за-
твердевания всей отливки возможно и при малых размерах прибыли
Для этого необходимо обеспечить определенное соотношение между
скоростями охлаждения прибыли и отливкн, добиваясь значитель-
но меньшей константы затвердевания прибыли по сравнению с от-
ливкой (fcn <М- Тогда можно будет иметь R„ <Rt-
На консцьту затвердевания стали данного состава основное влия-
ние оказывают температуропроводность фо-рмы^и пере-
грев стали относительно стенок формы В первом прибли-
жении константа заумрямани» ывжег бить сравнительно легко опре
делена по формуле flj.
*=1,158-4^-= 1,158------------------—'^мчас5, i79,
Q-.e
где 1,158 — числовая оценка функции
ф=7[‘- И
(см. стр. 30, С — гауссовский интеграл ошибок);
tt — температура затвердевания стали, °C;
Ь — коэфициент температуропроводности фоомы — у/- Х'."£ ,
к—теплопроводность формы, с — ее теплоемкость,
1 —удельный вес (см. стр. 40), 6 = 17,1 для песчаной формы,
6=45 для магнезита, 6=176 для стали, Кал-лс^ час 2 -°C'1;
Q—теплосодержание стили в интервале температур (4Ж—
плюс скрытая теплота кристаллизации, /Сал/кг;
/ж— температура жидкой стили (7° стенок формы = 0);
W, — скрытая теплота кристаллизации стали, Кая/кг-,
сс —теплоемкость стали, Кал-кё~1 °C’";
7С — удельный вес (плотность) стали непосредственно после эа-
тверДева имя, кг лг3.
Для значений Ь > 35 необходимо вводить поправки в формулу (79)
так же, как и для сильно меняющихся температур, влияющих на вели-
чину Ь. Для иллюстрации влияния температуры углеродистой стали,
заливаемой в песчаную форму, можно проанализировать по этой фор-
муле условия заливки сифоном и сверху (см. также сноску стр 4151
Из рнс. 81 видно, что разница температур в прибыльной верхней
и в нижней части отливки может достигать 100°. При заливке сверху
получающаяся более высокая температура металла в прибыли ведет
к уменьшению константы затвердевания до кп = 0,04 м час» для при-
УстаноЪКл яривылеО и выЛорой на сталЬнЬо! ртлняках 40^
были против fa = 0,05 JU/WOC2 для отливки (в расчете к по формуле (79)
принято 1635 и 1535, Г, — 1450, 6^17,1, Wc=64, ес =0,2;
7< =7200).
Следовательно, из-за разницы температур, полученной при залив-
ке сверху, уменьшается отношение констант затвердевании прибыли
и отливки (кп/к в—0,8). Если прибыль имеет одинаковую приведенную
толщину с отливкой, то, -как следует из формулы (76), Zn.Zc~l,5. При-
быль будет затвердевать приблизительно в полтора раза медленнее
отливки.
При сифонной же заливке, когда получается обратный температур-
ный перепад (например, также 100°, см. рис. 81). можно из формул
76 и 79 определить, что Даже при приведенной толщине прибыли
в 1,25 раза больше отливки достигается только одновременное их за-
твердевание.
Эти расчеты, несмотря на свою приближенность, указывают пути
уменьшения размеров прибылей за счет заливки сверху ичи за счет
подачи в прибыль более горячего металла, чем в отливку. При этом
необходимо учесть также более благоприятную, более концентрирован-
ную форму получающейся усадочной раковины, что, в свою очередь,
позволяет уменьшить размеры прибылей. Из расчетов также видно, что
существенная разница в константах затвердевания прибыли и отливки
получается только при большой разнице температур металла в при-
были и отливке.
Таким образом, основным мероприятием по уменьшению размеров
прибылей, уменьшению скорости затвердевания металла в них являет-
ся подвод металла в прибыль. Он может осуществляться
непосредственно, заливкой всего изделия сверху, или комби-
нированно, подводом металла самостоятельным питателем в при-
быль (см рис. 79, 3, 254, 272 и др.).
Для многих отливок, в особенности крупных, часто оказывается
выгодным удлинять литниковые ходы для заполнения собственно от-
ливки симметрично, медленно и охлажденным металлом. При угры
в прибыль металл подается через отдельные элементы литниковой си-
стемы — наиболее коротким путем. Весьма распространено заполне-
ние прибылей крупных отливок непосредственно сверху, из ковша. Эта
заливка должна производиться с момента выхода металла через лит-
никовую систему в нижнюю часть прибылей. Очевидно, что эта заливка
должна производиться возможно медленнее, с перерывами, равномерно
пп всем прибылям.
Заливка непосредственно из ковша в прибыли предопределяет
установку открытых прибылей, обычно применяемых для крупных от-
ливок. При этом, если не производится подпитка, то поверхность от-
крытой прибыли надо предохранить от интенсивного охлаждения воз-
духом. Сохранение верхней поверхности открытой прибыли в жидком
состоянии необходимо не только для удлинения периода ее затверде-
вания, но и для воздействия атмосферного давления на Жидкий металл
прибыли во все время питания отливки.
С этой целью поверхность открытых прибылей немедленно после
заливки засыпают сухим песком, молотым шлаком, каменноугольной
золой и т. и. Весьма задерживает затвердевание стали в прибыли
засыпка молотым древесным углем. Он не только изолирует сталь от
охлаждающего влияния наружного воздуха, но науглероживает ее.
Понижается температура плавления, увеличивается из-за этого пере-
грев, улучшается жидкотекучесть, металл затвердевает медленнее,
получается лучшее питание отливки.
Эффективность засыпки древесным углем можно еще повысить,
сечи на прибыль крупной отливки наставить футерованный огнеупор-
464
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
ным кирпичом «импак, в который через трубу поступает из вентилято-
ра воздух, сжигающий часть угля [115].
Однако, если чрезмерно уменьшить размеры прибылей, используя
эффективность засыпки древесным углем, то вауглерожеяный металл
может, заполняя образующиеся усадочные раковины непосредственно
в теле отливки, вызвать ее неоднородность. Подобные местные
участки иауглероженного металла получаются как при открытых при-
былях, засыпанных древесным углем, так и при звкрытых прабылях
с установленными графитовыми стерженьками для использования ат-
«осЛерного и газового давления, рис. 306.
Рнс. ЗОЯ. НауГтероженные зоны (темные) «следствие- t. тева — засыпки дре
вееным упем открытой прибыли; справа — установки грифитового стерженька
в ммрмгую прибыль
Содержание углерода в науглероженной зоне открытой и закрытой
прибыли достигает 0,9—1,1% (в нижней зоне около 0,6%). При попа-
дании Такого металла в отливку соответствующие места иногда прихо-
дится даже выплавлять и заваривать, так как они не поддаются меха-
нической обработке.
Весьма повышает эффек1ивнис1ь засыпки древесным углем так
называемое «качание» прибылей, при котором топким железным прут-
ком помешивают металл, разрушая образующуюся твердую корку на
его поверхности. Кроме того, при качании полезно также отрывать
образовавшиеся на боковых поверхностях прибыли друзы кристаллов,
чтобы они упали вниз и заполнили раковину Очевидно, что конец
прутка необходимо перед опусканием в прибыль нагреть докрасна, а
после того, как на нем образуется настыль, заменить другим прутком.
Сравнительно небольшие открытые прибыли качать пе следует,
а закрытые прибыли качать вообще невозможно. Для таких прибылен
юстаточно эффективно применение угольных, а еще лучше графитовых
л-тержеиьков, закрепляемых двумя концами в побои положении (гори-
зонтальном, наклонном) в стенках прибыли при формовке. Получается
плоская, концентрированная усадочная раковина, без видимой рыхло-
пи, см. рис. 306, справа.
Этн тонкие стержни (диаметром 7 и 10 мм при прибыли менее
150 и ^о 300 мм) при образовании верхней затвердевшей корки догут
Установка прибылей « выпоров на стальных отливках
465
частично заменить песчаные для воздействия атмосферного давления
на жидкий металл прибыли. Кроме того, графитовые стержни, менее
Газопроницаемые, чем угольные, сравнительно легко растворкются
в стали, обуглероживая ее, и частично сгорают Выделяющееся тепло
играет некоторую роль в тепловом балансе прибыли (некоторые при-
ближенные расчеты указывают на возможность 'повышения теашера-
туры стали в небольшой прибыли диаметром 100 мм даже на 20—30°).
по основное влияние графитовых стерженьков, наряду с науглерожи-
ванием стали, заключается в повышении давления внутри
прибыли образующимися газами от сгорания стер-
женьков. Это повышение давления бывает настолько значительным,
что иногда наблюдались случаи выплескивания стали через стояк
и даже раздутие формы
Эффективное влияние повышенного дааления внутри прибыли пу-
тем искусственного газообразования отметил впервые еще Д. К- Чер-
нов [28]. Известен способу когда на прибыль немедленно после заливки
кладут плиту с сырой глиной. Плита нагружается сверху. На нижнюю
поверхность плиты, обращенную к прибыли, наносится слой глины,
который удерживается благодаря связи с шипами плиты. Под влиянием
теплоты металла влага испаряется. Так как образующиеся пары лише-
ны возможности удалиться из перекрытой прибыли, то повышается
давление, воздействующее на жидкий металл.
В последнее время А И. Явойский и А. Д. Попов на Уралмаш-
заводе и Д. Р. Кононов на заводе «Большевик» помещают s верхнюю
часть закрытых прибылей перед заливкой куски известняка, мрамора
п т. п. Уплотнение «металла под влиянием выделяющихся газов (СО2
и Н2О) оказывается часто лучшим, чем при применении графитовых
стерженьков.
Этн работы явились в известной степени реализацией предложения
А. А. Рыжикова s по установке футляров с газотворнымн смесями в
прибыли отливок, сделанного раньше появления соответствующих работ
в английской литературе (см. например [125]).
Рис ЗС7. Разрез отливки с боковой прибылью, работавшей под
газовым давлением в 15 ат из газов стерженька, установленного
в прибыль перед заливкой
• В работах Б К.. Васыевского и др., см, сноску иг стр. 448.
» Труды ЦНИИ НКТП 1944. № 17
30 Зак. 79. Ю. А. Нехеидзи
466
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
В оценке всех возможных вариантов применения газотворных ве-
ществ в прибыли необходимо учитывать соотношение между
положительным влиянием получающегося давления
и отрицательным влиянием получающегося охлажде-
ния металла. Из-за охлаждения металл может образовать корку
известной толщины -вокруг стерженька или футляра с газотворным ве-
ществом в прибыли Оно уже не сможет воздействовать на жидкий
металл.
В силу этих соображений теперь начинают уже применять дпя
стерженьков, вставляемых в прибыль, не только сильно газотворную,
но и экзотермическую смесь. В результате внутри прибыли достигается
давление газов до 15—30 ат и после затвердевания прибыль оказы-
вается почти пустой, имея только тонкую наружную корку, рис. 307
Очевидно, что смесь должна начать реагировать только после того,
как образовалась достаточно толстая корка затвердевшего металла по
поверхности прибыли и затвердел литниковый ход к прибыли
Для этого футляр, в который помещается смесь, должен изготов-
ляться из какого-либо огнеупорного материала, хотя бы из обычной
обожженной огнеупорной смеси песка и глины. Толщина футляра дол ж
на составлять несколько миллиметров, в зависимости от размера при-
были, -куда вставлвется стерженек, и от того промежутка времени, ко-
торый требуется для начала действия смеси внутри футляра. Газо-
творной составляющей смеси может быть порох, как предлагал еще
Д. К. Чернов [28], или, что лучше, более медленно действующее газо-
творное вещество (мел, воск, парафин и т. п.). Экзотермической со-
ставляющей может служить обычный термит или подобные ему смеси.
При установке прибылей, работающих только под влиянием метал-
лостатического напора, обычный средний выход годного для отливок
среднего развеса составляет 50—55%. При работе прибылей с исполь-
зованием атмосферного давления выход повышается до 65% и с исполь-
зованием газового давления — до 80—85%. В некоторых случаях уда-
валось получать выход даже 95%, т. е. близкий к теоретически воз-
можному пределу (прибыль совершенно пустая, 5% потерь включают
усадку стали в жидком состоянии и при затвердевании).
Работы с различными газотворными веществами взамен углистых
стерженьков или засы.пок имеют также целью ликанднровать науглеро-
живание металла прибыли. Для качественных отливок, в которых
недопустима получающаяся неоднородность, приходится при примене-
нии углистых стерженьков или при засыпке древесным углем иногда
увеличивать высоту прибылей, чтобы предотвратить поп.«•-,ние наугле-
роженного металла в отливку. Поэтому для открытых прибылей наи-
более эффективной засыпкой служат экзотермические порошки типа
термита, так называемые «лункериты».
Первые исследования применения термита для уменьше i ия при-
былей слитков были произведены весьма успешно уже давно. Вслед-
ствие очень большого экзотермического эффекта реакции горения алю-
миния теперь не используют чистый термит для разогревающих засы-
пок, тем более, что термит быстро сгорает, давая резкий и внезапный
разогрев, причем много тепла теряется наружу. Термит, кроме того,
дорог. В настоящее еремя применяются другие экзотермические порош-
ки разнообразных составов с сравнительно низким содержанием алю-
миния, с размолотым ферросилицием, ферромарганцем и т. п.
П. В. Умрихин и Е. Сухова [433] успешно применили порошок вовсе
без алюминия (75%-ного ферросилиция — 26,5%, натриевой селитры —
26,6%, железной и марганцевой руды и белого шлака по 15,8%). Из-
вестны также многочисленные составы с 10—30% Al. 5—20% FeSi,
Установка nputfaufil и выпоров на стальных отливках
467
5—30% древесного угля, до 30% шамотного порошка, 10—15% бок-
сита, 5% марганцевой руды и т. п.
Разогревающие порошки для засыпки прибылей не должны науг-
лероживать или обогащать сталь включениями, должны хорошо тепло-
изолировать поверхность прибыли, медленно сгорать для увеличения
длительности нагрева, образовывать легко удаляющийся шлак, не по-
глощать влаги из воздуха прн лежании и быть безопасными в пожар-
ном отношении.
При расходе порошков около 1 кг на 1т стали (слой порошка
20—25 мм) по ряду данных можно уменьшить размеры прибыли нн
30%. что дает экономию, значительно превышающую стоимость Засыпки.
При проведении всех мероприятий по поддержанию металла дли-
тельное время -в жидком состоянии в прибыли необходимо учитывать,
что эго время не должно сильно превышать длительность
периода затвердевания отливки. Нахождение жидкого ме-
талла в прибыли сверх этого времени не только бесполезно, но даже
вредно (увеличен размер прибылей, затруднены мероприятия по облег-
чению доперлитной усадки, увеличиваются напряжения).
Более эффективным мероприятием, чем засыпка открытых прибы-
лей лункеритаыи с последующей доливкой жидким металлом, является
прямой обогрев открытых прибылей вольтовой дугой.
Сейчас же после заливки крупного слитка или отливки на прибыль
наставляют колпак, играющий роль свода. Через него проходит один
или три электроде, в Зависимости от размера отливки, являющейся
вторым полюсом (обычно отрицательным). При включении тока между
электродом и прибылью загорается вольтова дуга, длина которой ре-
гулируется весьма просто маховичком или зубчатой рейкой.
При помощи этой дуги можно держать металл прибыли сколько
угодно времени в жидком состоянии (например, 10—12 час. для отли-
вок валков в 20 т). Прибыль осуществляет полностью питание отливки
и после работы оказывается пустой, что является техническим преде-
лом ее использования. При излишне долгом нагреве прибыли расплав-
ленный металл, не имея уже внутри отливки усадочной раковины для
заполнения, стекает в зазор между формой и затвердевшей отливкой.
При такой неправильной работе электродов образуются своеобразные
наплывы на наружных гранях крупных слитков и отливок, имевших
при этом совершенно ровную и плотную поверхность в местах установ-
ки прибылей.
В последнее время для крупных отливок применяют даже реле,
автоматически регулирующее дугу, причем переносный колпак с 3 элек-
тродами над прибылью работает так же, как дуговая электропечь. Так
как при длительном пребывании верхней части отливки в жидком со-
стоянии сильно развивается ликвация, то иногда, перед установкой
колпака, иа поверхность прибыли забрасывают несколько лопат белого
карбидного шлака. Засыпка этого шлака вместо обычного боя стекла,
необходимого для предохранения рабочих от теплоизлучения прибыли,
позволяет впитывать всплывающие ликвациониые выделения содер-
жащие фосфор и серу. Это способствует получению изделия более вы-
сокого качества и иногда предопределяет работу дуги более длитель-
ное время, чем это требуется только для питания отливки.
Идея подобного способа разогрева прибылей была предложена
в России нашим известным изобретателем электросварки Н. Г. Слави-
ковым еще в 1898 г. Наибольшую эффективность способ дугового
электронагревв имеет только при крупных отливках.
Следует полагать, что современные достижения индукционного на-
грева токами высокой частоты расширят область применения электро-
нагрева прибылей.
30*
Влияние состава стали, се подвода и питания нп качество отливок
Уменьшение размеров прибылей регулированием скорости охлаж-
дения отливки и прибылей может осуществляться увеличением
коэфициента температуропроводности стенок формы
для отливки и уменьшением этого коэфициента для
прибыли. Как видно из формулы (79), влияние коэфициента темпе
ратуропроводности на константу затвердевания значительно интенсив-
нее, чем рассмотренного перегрева металла.
Наиболее резко проявляется интенсивность этого влияния в кокиль-
ных формах, когда отливка охлаждается металлическими стенками,
а прибыль формовочной смесью. Как видно нз рассмотренных ранее
примеров, в сочетании с рядом других мероприятий можно добиться
выхода по жидкому металлу до 85% (см. данные стр. 458). Значительное
влияние оказывает также применение тепло изоляционной сме-
си вокруг прибылей даже в обычных песчаных формах (см.
рнс. 286, 289).
Специальные исследования показали, что яаплучшимя свойствами
обладает смесь пз.
кварцевою песка .66 угольной пили . . 10 (бнгумннозша)
древесных опилок . 10 (пропущенных через огнеупорной глины 10
еито 3 мм) бентонита........5
При влажности 13—15% Вследствие слабой прочности такой смеси
нижняя часть прибыли (на 25 мм) формуется в обычной смеси. Сушка
должна производиться при температуре, не превышающей 200—250°,
что также является известным недостатком смеси для крупных отли-
вок, хотя облицовочный слой и может составлять всего 3)5—40 жж.
Увеличение толщины слоя безусловно улучшит 'влияние смеси, которое
можно сравнить с влиянием засыпки лункеритом.
Рис ЗОва. Способ установки сплошного каркаса на вкутренямх
холадвлывков в массивной откавк$ станины прокатного стана
Следует также отметядь возможность применения экзотермической
формовочной смеси, разогревающейся через некоторое время после за-
ливки. Эта смесь может замедлять затвердевание ее только прибыли,
но и тонкой части отливки, если это требуется для обеспечения на-
правленности затвердевания или равномерного остывания
Установка прибылей и выпоров на стальных отливках
469
Применяется способ и электронодогрева формовочной
lмеси «вокруг прибыли или вообще у места отливки, нуждаю-
щегося в замедлении охлаждения. Этот способ впервые осуществлен
Г. Н. Грищенко [133а] на Ленинградском металлическом заводе
им. Сталина. В разогреваемый участок формовочной смеси задетывает-
ся спираль из проволоки. При включении тока (от осветительной сети)
спираль, накаливаясь, может нагреть смесь до 800°.
Подобный электронагрев формы имеет большее значение, чем толь-
ко уменьшение размера прибыли. Он способствует лучшему заполне-
нию очень тонких и сложных отливок, уменьшает опасность образова
ния газовых раковин, горячих трещин и напряжений, осуществляет
процесс сушки глубинных зон почвенных форм.
Влияние наружных н внутренних холодильников, образующих
в массивных отливках сплошные внутренние каркасы (см. рнс. 305),
уже излагалось. Способ установки подобного сплошного каркаса внут-
ренних холодильников в массивной отливке станины прокатного стана
виден из рис. 308а.
5. Легкоотбиваемые прибыли
Для облегчения процесса отделения прибылей от отливок, произ-
водящегося обычно огнерезкой или механическим путем, у нас в Союзе
в последнее время начали широко применять легкоотбиваемые
прибыли. Особенность их конструкции заключается в устройстве
пережима между прибылью и отливкой. Пережим играет роль над-
реза и уменьшает сечение перехода от прибыли к отливке, вследствие
чего получается хрупкий излом даже при легйом ударе молотка Пере-
жим не ухудшает условий питания*, если через него проходит достаточ-
ное количество металла для разогрева соответствующих стенок формы.
Пережим осуществляется установкой специального тонкого стерж-
ня или пластинки-диафрагмы по «предложению А. А. Рыжикова и А. Д.
Попова, впервые в Союзе поставивших «а Уралмашзаводе широкие
работы по применению легкоотбиваемых прибылей [134]. Применение
пережима в прибыли для облегчения ее удаления является вообще рус-
ским изобретением. Подобную прибыль для слитков впервые примерил
еще П. А. Иванов в. 1912 г.’. Несмотря на это, в США, где начали
позже нас применять легкоотделяемые прибыли, пластинку-диафрагму
ДЛЯ пережима называют «стержнем Уошберна».
Пережимы часто М017Т выполняться непосредственно стержнями,
образующими прибыли, вследствие чего отпадает надобность в спс
циальных диафрагмах, что имеет известное преимущество
Для легкого отбивания прибыли пережим должен иметь острый
надрез и оставлять по возможности меньшую поверхность со-
прикосновения прибыли с отливкой. Для наиболее же
эффективной работы прибыли эта поверхность должна быть по воз-
можности больше. Оптимальная промежуточная величина перешейка
должна определяться в зависимости от отдельных местных условии
Прн прочих равных условиях, подвод металла непосредственно
в прибыль позволит уменьшить поверхность соприкосновения прибыли
с отливкой, уменьшить перешеек. Легкоотбиваемые прибыли могут
обеспечить плотное строение без макроусвдочных раковин. Межкри-
сталлитные же микроусадочные раковины я массивных отливках прн
применении Таких прибылей заполняются хуже, чем при прибылях без
1 П. А. И ванов Опыты мартеновского цехи Златоустовского завода, имеющие
цел»» обособление усадочной раковины в стальных слитках, «Горный журнал», 1912
№ 6, 95,
470
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
пережима. Также ухудшаются условия всплывания неметаллических
включений, ликвациоиных выделений, что имеет особое значение для
крупных отливок. Затрудняются н условия удаления газов из формы.
Поэтому легкоотбиваемые прибыли могут иметь применение толь-
ко для тонко- и средяестенных отливок. В массивных опив-
ках такие прибыли вообще не могут быть «легкоотбиваемымм».
Прибыли будут легко отбиваться, если толщина перешейка не пре-
вышает 40—50 и иногда 60 мм. При этом для облегчения отбивания
прибыли сечеиие перешейка можно делать прямоугольным, с острыми
углами, а не эллиптическим или круглым, несмотря на бблыпие тепло-
вые потери. Поэтому абсолютные размеры (прямоугольного сечения пе-
решейка должны быть большими, чем круглого, рекомендуемого диа-
метром 40—50 мм для прибылей диаметром 300 мм. Более точную за-
висимость между приведенными толщинами перешейка и отливки мож-
но установить из исследования М. А. Кремера [132] — /?д^О,87?о при
Ro ДО _i,0 СМ И /?де^О,6Ко при Ro — 2,5 см.
Толщина перешейка во всех случаях должна делаться по возмож-
ности меньшей для того, чтобы диафрагма хорошо прогрелась и не
влияла на эффективность работы прибыли. На основе работ А. А. Ры-
жикова и А. Д. Попова можно принять толщину диафрагмы 8—10 мм
для прибылей диаметром 300 мм и 12—15 мм для 300—500 мм. Неко-
торые исследования допу-
скают несколько боль-
шую толщину, рис. 308.
Большая толщине
диафрагмы позволяет лег-
че сконструировать вен-
тиляционные каналы. Это
имеет большое значение
для предотвращения об-
разования газовых рако-
вин, часто появляющихся
у перешейка.
Тонкие плястинкн-
диафрагмы должны обла-
дать минимальной газп-
творной способностью.
Поэтому их следует из-
готовлять из смесн 70—
60% кварцевого леска и
30—40% молотой огне-
упорной глины н подвер-
гать прокаливанию при
700—800р. При 'примене-
нии органических крепи-
телей и обычной сушке
при 280—300° необходи-
мо тщательно вентилиро-
вать не только диафрагму, но и верхнюю часть формы, иначе неиз-
бежно вскипание и появление газовых раковин
При наличии толстой корки на поверхности подымающейся сифо-
ном стали газовые раковины образуются даже при хорошей вентиля-
ции диафрагмы и отливки, так как корка дает завороты при проходе
стали через диафрагму в прибыль. Поэтому установка легкоотбивае-
мых прибылей может вызывать повышенный брак в высоких отлив-
ках, заливаемых сифоном. Необходимо устаиааливать дополни-
Установка прибылей и выпоров на стальных отливках
471
тельный питатель непосредственно под прибыль
и осуществлять заливку сверху. При этом можно будет умень-
шить размеры прибылей. Эту возможность необходимо учитывать, так
как из работ Е. Г Галатона [135] и Д. Р. Кононова [136] следует,
что легкоотбиваемые прибыли из-за наличия диафрагмы приходится
часто делать больших размеров, чем обычные
Необходимо отметить, что, при прочих равных условиях, установка
легкоотбиваемых прибылей может быть проще и легче осуществлена
в отливках, заливаемых в кокильные формы В этих отливках приве-
денная толщина прибылей меньше, чем в таких же отливках, залитых
в песчаные формы. Упрощенная возможность установки прибылей
меньших размеров в легкоотбнваемых является одним нз существен-
ных _преимуществ кокильного стального литья.
В. УСТАНОВКА ПРИБЫЛЕН И КОНСТРУКЦИЯ ОТЛИВОК
1. Конструкция отливок в связи с установкой прибылей
Основные особеиности технологически правильной конструкции
стальных отливок, обеспечивающей получение здоровых изделий, уже
отмечались.
При конструировании стальных отливок основное внимание должно
быть уделено мероприятиям по предотврвщению образования мест-
ных усадочных раковин и горячих трещин, а также
удобству и экономичности установки прибылей. Для
этого конструкция отливки должна:
I) иметь толщину стенок в соответствии с габаритами н конфигу-
рацией изделия;
2) иметь одинаковую или равномерно меняющуюся приведенную
толщину стенок, без местных скоплений металла, без резких и острых
переходов;
3) предоставлять возможность, при местных скоплениях металла,
устанавливать на них вместо холодильников Прибыли так, чтобы не
усложнять формовку и обработку;
4) не иметь больших плоскостей, расположенных как горизонталь-
но, так и вертикально (борьба с пригаром и усадочной рыхлостью);
5) не иметь закрытых полостей, заменяя их открытыми ребристы-
ми конструкциями;
6) иметь по возможности компактные габариты, избегая выступа-
ющих частей; укреплять нх плавными усадочными ребрами;
7) избегать установки жеребеек для крепления стержнем, причем
предусматривать возможность применения больших знаков стержней
и установки прочной рамки — каркаса, не препятствующей усадке
отливки;
8) не иметь тонких полостей, вследствие образования большого
пригара И замедленного затвердевания металла, окружающего тонкую
полость отливки;
9) предусматривать питание различных приливов к основному кон-
туру оттивки, а соответствующие отверстия в приливах или в отливке
конструировать по направлению выема модели.
Некоторые приливы, для упрощения условий получения здоровой
отливки, выгоднее приваривать. Решение этого вопроса, так же
как и вообще вопроса о целесообразности разделения отлнвки на ряд
составных частей или замены отливки сварной конструкцией, опреде-
ляется многообразными местными условиями производства и прочности
отлидки. Обобщая различные условия, следует отметить, что только
цря малом количестве изготовляемых деталей чисто сварная
172 Влияние состава стали, - подводе/ и питания на качество отливок
конструкция может оказаться дешевле литой. Для получения здоровой
отливкя и возможности правильной установки прибылей комбинирован-
ная сварно-литая конструкция является иногда необходимой, ряс, 309.
Так же сложно и зависит от многообразных местных условий ре-
шение вопроса о замене поковок отливкой. В последнее время уже
начинает получать практическое применение компромиссное решение.
Некоторые особо ответственные изделия, в которых недопустима меж-
путем отливки, а простой
кристаллитная рыхлость, получают путем отливки с последующей лег-
кой проковкой в штампах для уплотнения детали. Прн этом сохраняется
основное преимущество отливки—однородность свойств в различных
направлениях и ликвидируется основной Недостаток — мвкроусадочные
раковины Для некоторых же длинных и тонких ответственных изделий
метод получения фасонной сложной части
части (цилиндрической или призмати-
ческой) путем прфковкм —г является,
иногда целесообразным. Таким спо-
собом изготовляют например, буфер-
ные стержни трамвайных вагонов на
Кировском заводе (захват остается
литым, а брус протягивается). Анало-
гичный способ применен при изготов-
лении ответственного изделия •—длин-
^ри6ыле>
Неправильно
ПраВильне
Рис. 809. Неправильная
конструкция котла с цель-
иолктымк ладив-цодст»в-
ками на утолщенном дне
(слева). Правильная кон-
струкция с приваренными
лапами, что дает возмож-
ность цвассообразиой уста-
новки прибыли (справа)
Рис. 310. Метод изго-
товлении длинного пу-
стотелого вал* смеси-
те тя комбинированием
отливки сложной фа-
сонной части с проков-
кой несущего коки*
(умов с лиан. 550 ва
дням. 320 лее)
него (около б ж) пустотелого вала смесителя, рис. 310.
Можно полагать, что при предстоящем широком развитии процес-
сов центробежной заливки стали изготовление изделий подобной кон-
фигурации не потребует ни специальных приспособлений по рис. 268,
ни проковки по данным рис. 310. Но при конструировании отливки
должны всегда учитываться условия установки прибылей в зависимо-
сти от метода заливки. При этом два возможных метода конструиро-
вания — обеспечение одновременного или1 направленного
затвердеваний отливки—также должны решаться конструктором и ли-
тейщиком совместно в зависимости от намечаемого способа заливки.
2. Установка прибылей для одновременного или направленного
затвердевания отливок в связи с их конструкцвей
Одновременное затвердевание отливок строго теоретически невоз-
можно. Даже в самой тонкой плите с ровными толщинами стенок неиз-
бежен известный перепад температур по сеченнк>{ иначе невозможно
Установка прибылей и выпоров яа стальных отливках
m
было бы ее охлаждение. Как было доказано ранее, в таких тонких
отливках, заливаемых без прибылей, неизбежно развитие усадочной
рыхлости. Вместе с тем чисто с практической точки зрении обычно
проводится разделение конструкций отливок и метода их заливки на
условия одновременного или разновременного направ-
ленного к прибылям затвердевания (регулируемого, на-
правленного затвердевания).
При этом на основе всего изложенного можно заключить, что при
одновременном затвердевании в отливке получаются многочисленные
рассеянные мелкие усадочные раковины или рыхлость, но уменьшается
опасность появления горячих и холодных трещин. При направленном
же затвердевания получается концентрированная усадочная раковина,
но увеличивается опасность возникновения трещин Поэтому теорети-
чески идеальным методом заливки и охлаждения следует признать та-
кой, который обеспечит сочетание направленного затверде-
вания с одновременным равномерным остыванием
затвердевшей отливкн (искусственное интенсивное охлаждение
разогретых частей их откапыванием, заливкой водой и т, п).
Для работы прибылей, чтобы достигнуть такого режима охлажде-
ния, нужно прежде всего не допускать излишнего количества жидкого
металла в них после затвердевания самого массивного сечения отлив-
ки. В общем же виде необходимо отметить, что даже при искусствен-
ном охлаждении разогретых зон отливки добиться действительно рав-
номерного остывания направленно затвердевшей отливки чрезвычайно
трудно.
Поэтому первым и основным условием правильной конструкции
стальной отливки валяется прежде всего ровная или равномер-
ная, нерезко меняющаяся, приведенная толщина сте-
нок. Установка же прибылей, так же как и подвод металла, должны
в зависимости от ранее рассмотренных условий способствовать
одновременному либо направленному затвердеванию отливки.
Влияние ровной толщины стенок на качество можно особенно лег-
ко заметить в отливках, работающих под давлением внутренней среды.
В таких отливках дефекты в виде рыхлости или внутренних раковин
обычно вскрываются при гидравлическом или паровом испытании, в то
Ряс. 311. Неправильная (слева) и правильная (справ») кон-
струкция тройаика (в местжх а обнаруживались течи при
гидравлическом испытании)
время как в отливках другого назначения онн могут вскрываться лишь
при просвечивании необрабатываемых сечений. Например, при конст-
руировании тройника, имеющего дСа одинаковых фланца н третяй по-
меньше, конструктор, не учитывая требования равной толщины стежок,
принял их по расчетным нормалям в зависимости от диаметра фланца.
Получилось сопряжение стенок различной толщины, В этих местах ре-
гулярно обнаруживалась течь при испытании. Простое изменение кон*
474 Влияние состава стали, ее подвода и питания ни качество отливок
струкцин путем применения плавного перехода и одинаковых толщин
стенок полностью ликвидировало этот дефект [90J, рис. 311
Однако, как указывалось выше, в отливках с ровной толщиной
стенок возможно появление рыхлости и местных усадочных раковин
Рнс 312. Неправильный (слева) и правильный (справа) подвод металла
в отжвке с ровной толщиной стенок при верхнем расположении при-
былей (в местах и обнаруживалась усадочная рыхлость при сифониом
подводе!
Рис- 313. Установка прибылей и припусков ив
обработку для направленного -затвердевжия ци-
линдра. имеющего ровную толщину стенок
в вонах подвода металла. В таких случаях приходится, соблюдав прин-
цип возможной равномерности заполнения формы, прибегать к извест-
ному нарушению условий одновременного затвердевания, рве 312.
В длинных пустотелых отливках, с равной толщиной стенок, под-
вергающихся во вржмя работы давлению (автоклавы, цилиндры преф>
Установка прибылей а выпоров на стёХьных отливках 475
са и т. п.), рассмотренное простое, изменение подвода металла с си-
фонного на верхнее применить уже нельзя. В особо ответственных от-
ливках с ровной толщиной стенок, когда недопустима* усадочная рых-
лость, приходится для улучшения питания путем соответствующих
Рис. 314- Устиновна прибылей. припуски па
обработку для направленного затвердевания
и заливка через этажную литниковую систе-
му (слева) и через сплошное ребро — пита-
тель (jrnpai
припусков на обработку уж“
прямо прибегать к созданию
условий направленного затверде-
вания. При этом в случае необ-
ходимости горизонтальной за-
ливки, менее желатетьной для
таких отливок по сравнению с
вертикальной, следует устанав-
ливать эксцентричный припуск.
Он больше в верхних частях от
ливкн, чем в нижних, рис. 313
1471.
Подобный припуск часто не
только не выгоден экономиче-
ски, но и трудно осуществи’.!
технически Кроме того, в рас-
сматриваемых очень ответствен-
ных отчивках иногда уже нельзя
удовлетвориться обычной, хотя бы
и рассредоточенной этажной лит-
никовой системой- Во избежание
образования в таких отливка х
усадочной рыхлости у устья пи-
тателей теперь начинают приме-
нять заливку через сплошной
47S Влияние состава стали, ее подводя и питания, на качество отливок
Рис. 316. Установка большого количества при-
былей малого размера для способствования од-
новременному затвердевииню отливки шестерни
питатель с простой верхней установкой прибыли, рнс. 314 (46а].
Применение таких щелевидмых питателей известно для ответствен-
ных отливок из легких сплавов, дающих пленку окислов. В круп-
ных же стальных отливках с ровной толщиной стенок такое питание,
позволяющее не прибегать к специальным припускам на обработку
для направленного затвердевания, начало применяться в последнее
время. В отдельных случаях устанавливают даже специальною ложную
стенку во всю высоту отливки. Эта стенка является как бы новым эле-
ментом конструкции отливки, позволяющим производить ее заливку
сверху. В действительности же сама отливка будет плавно и равно-
мерно заливаться снизу без местных разогревов сифонными питате-
лями и без разрушающего их воздействия на стенки формы, рис. 315
В некоторых случаях, когда необходимо добиться равномерного осты-
вания, приходится уменьшать размеры каждой прибыли в
отдельности, увеличивая их число. Такая установка при-
былей способствует одновременному затвердеванию отливки, рис. 316.
Если же конструкция отливки и различные принимаемые меры при
остывании допускают резко неравномерное затвердевание, то установ-
ка прибылей должна способствовать направленному к ним затвердева-
нию. В подобном крайнем случае можно применить установку даже
одной прибыли с подводом в нее металла. Например, шестерня, кон-
струкции более благоприятной, чем на рис. 316, может быть по данным
А. Д. Попова и Б. Н, Щербаченко [137] успешно залита с одной при-
былью на ободе и с частичным переворотом после заливки, рис. 317.
При установке прибы-
лей, способствующей более
ярко выраженному направ-
ленному затвердеванию,
уменьшается расход метал-
ла. Но особое значение при-
обретает правильная конст-
рукция отливки. Она долж-
на обеспечить направленное
к прибыли затвердевание и.
вместе с тем, не вызывать
чрезмерно резких
температурных гра-
диентов при остыва-
нии, осложняющих борьбу
с образованием горячих
трещин.
Конструкция такой отлив-
ки неизбежно будет иметь
различную толщину стенок,
но соотношение меж
ду ними не должно превы-
шать известной кри-
тической величины.
Практической иллюстра-
цией этого положения мо-
жет служить исследова-
ние различных кюнструкцнч
и различных приемов залив-
ки проходных клапанов вы-
сокого давления (фиттин-
гов), рис. 318 [47J.
Рнс. 317. Установка одной прибыли на ободе
шестерня с подводом металла сифоном в обод
и дополнительно в прибыль. Заливка с частич-
ным переворотом
Установка прибылей и выпорол на стальных отливках
47Г
Ряе 318. Расположение горячих трещин при различных варнантвх уста-
новки прибылей и подвода металл» в отливке фиттинга, имеющего тол-
стые фланцы к тонкое тело корпуса (отношение толщин 4:1):
1 —. обычаы* метод, прибыла в* фланцах с напуском, подвод металл* Ьо
фланцы в разъем. ± — боковые открытые прибыли и» торцах фтапа о под-
боковой поверхности фланцев с подводом металла в прибыли
Подобные отливки арматуры отличаются обычно большим отно-
шением толщин сравнительно массивных фланцев к тонкому телу кор-
пуса. Так как на фланцах необходимо еще устанавливать прибыли, то
в местах перехода от фланцев к корпусу легко возникают горичие тре-
щины. При указанном на рис. 318 соотношении толщин фланца н кор-
Рис. 319. Расположение горячих трещин прн различных мероприятиях по ряваомер-
ному остыванию отлнвки фиттинга, залитого с максимально развитым, направлен-
ным затвердеванием варианта 2 рис. 318:
47В Влияние состава стали, ев подвода и питания на качество отливок
пуса ни один из примененных вариантов установки прибылей и подво-
да металла пе мог предотвратить образования горячих трещин.
При заливке по’ варианту 2 рис. 318, как наиболее полно способ-
ствующему направленному затвердеванию, только применение сталь-
ных наружных холодильников ликвидировало трещину (рис. 319,7).
Не помогала ни свободная усадка между фланцами (вынимаемые
дощечки, рис. 319,2), ни свободная усадка в радиальном направлении
(сырой стержень, рис. 319,/), ни наружные холодильники, менее интен-
сивно влияющие, чем стальные плиточки (цирконнтовая смесь,
рис. 319.3, графитовые пластинки рис. 319,4, шпильки рис 319.5, по-
луметаллические холодильники рис. 319, 6) Не помогли и внутренние
холодильники рис 319,5, поскольку правильное их количество трудно
рассчитать. Только отношение толщин фланца к корпусу 1:1 или 2: 1
(при минимальной толщине 25 жл) позволило в рассматриваемой кон-
струкции ликвидировать трещины без принятия каких-либо мер по
равномерному остыванию.
В отливках с направленным затвердеванием кон-
струкция до л ж и а обеспечить возможность питания
прибылью наиболее медленно затвердевающей части.
Без этой возможности в соответст-
вующих термических узлах будут
местные усадочные раковины (см.
рис. 78, 85) Применение холодиль-
ников сможет в известных условиях
уменьшить опасность образования
не только таких раковин, но и горя-
чих трещин из-за неравномерного
остывания. Однако только откры-
тые конструкции со свободной усад-
кой, без термических узлов, с рав-
номерно увеличивающейся по на-
правлению к прибыли толщиной
стенок следует признать наилуч-
шими.
Уже указывалось, что для оп-
ределения такого плавного измене-
ния толщин стенок с успехом мо
жет служить метод «нзотерм-изосо-
лидусов» или «вписанных окружно-
стей (стр. 143, 148). Иллюстрацией
применения подобного метода для
правильного определения толщин стенок и необходимых припусков на
обработку -в сложной отливке пилиндра паровой турбины, звлнваемон
вертикально, служит рис. 320 [46а].
Вместе с тем нужно подчеркнуть, что подобный обычно рекомен-
дуемый метод конструирования в условиях как бы «статического»
рассмотрения различных толщин и, следовательно, различных условий
затвердевания отливки является часто неправильным. При таком кон-
струировании большей частью получаются излишне завышенные при-
пуски на обработку н утяжеление веса самой отливкн. Необходимо
рассматривать конструкции в «кинетических» условиях заполне-
ния формы и в разрезе тех различных мероприятий по регулированию
скорости охлаждения, которыми может управлять литейщик Это поз-
волит значительно повысить технико-экономические показатели произ-
водства.
Ранее было уже достаточно подробно рассмотрено влияние стенок
формы различной температуропроводности н различной скорости и тем-
Установке прибылей и выпоров нй стйлг>нык отливках
4»
пературы започнення тех или иных частей отливки. Также стало оче-
видным, что афоризм В. Е. Грум-Гржимайло, что «часть вышележащая
является прибылью для нижележащей», уже не может применяться
к отливкам, заливаемым с нижними прибылями, использующими атмо
сферное или газовое давление. В таких отливках часть нижележащая
уже будет служить прибытью для вышележащей. Следовательно, в та-
ких отливках более массивные части могут находиться в нижних гори
зонтах формы, под более тонкими частями. Несмотря на столь, каза-
лось бы, прямое нарушение элементарного правила литейной техники,
отливка все же будет по.т/чаться сравнительид здоровой.
Но и без прибылен, использующих атмосферное или газовое дав-
ление, часто можно заливать изделия с утолщенными Частями в кик*
них горизонтах формы. Нужно только правильно анализировать кине-
тику процесса заполнения отливки и ее последующего затвердева-
ния. Подобное положение особенно ярко выявляется при кокильной
заливке. Например, при статическом рассмотрении процесса затверде-
вания потребовалось бы установить прибыль на верхней массивной
части крышки, рис. 321.
Однако прн указанном на рис. 321 подводе металла сначала за-
полняется массивная часть отлнвки, расположенная внизу Только ПОС-
Рис. 321. Метод залнвхя крышки более толстой частью
вниз и с установкой прябытн на более тонкой части
ле заполнения этой части и начавшегося в ней затвердевания происхо-
дит заполнение более тонкой части отливки и Прибыли. В результате
благодаря удачному соотношению ряда условий обеспечивалось полное
питание даже при заливке в песчаную форму, несмотря на расположе-
ние в ее нижних горизонтах массивной части отливки. Перенесение же
Прибыли на сравнительно тонкую необрабатываемую часть позволило
уменьшить припуски и удалить прибыль одним огневым ревом без
последующего отпуска отливки. Если бы прибыль была на Массивной
обрабатываемой части, то после огнерезкн необходим был бы смяг-
чающий высокий отпуск для данной отливки из легированной конструк-
ционной стали.
Таким образом, известное правило об установке прибылей на Пас-
сивных частях отливки нельзя рассматривать догматиче-
ски, без учета условий заливки и охлаждения, обуслов-
ливающих по существу кинетику Процессов затвердевания
и остывания. Также нельзя, используя только чертеж изделия и Не
учитывая ряда условий заливки, определять методом вписанных окруж-
4вО
Влияние состава стали, ев подвода и питания на качество отливок
гостей или изотерм конструктивные размеры переходных сечений, при-
пусков на обработку и самих прибылей.
Наряду с этим положением необходимо учитывать и технико-
экономическое значение изменения конструкции. Большие при-
пуски, часто устанавливаемые для обеспечения условий направленного
к прибыли затвердевания, ведут не только к увеличению расхода ме-
талла, но и к значительному усложнению и удорожанию процессов
формовки и механической обработки отлнвки.
Изготовление отливок типа маховиков, шестерен, колес и т. п. тре-
бует дорогой обработки во избежание дефектов. Такие отливки отли-
чаются термическим узлом в сочленении обода с диском или спицами.
Получается либо вторичная усадочная раковина даже при кольцевой
прибыли, либо требуется установка прибылей с напусками, увеличи-
вающими механическую обработку. Применение холодильников мало
..._______________г?' гг? п ................................
Pat. 322 Изменекве конструкции шестерив (1). шкива (2) и ролика (3)
для ликвидации вторя чжЛ усадочной раковины и для обеспечения направ-
ленного затвердевания при простой установке прибыли без излишних при-
пусков иа обработку
эффективно вследствие обычно значительной толщины стенок таких
отливок. Вместе с тем достаточно простого изменения конструкции,
чтобы получить здоровую отливку, без излишней обработки, без при-
менения холодильников и с простым методом установки прибылей
(рис. 322).
Если установить местную или кольцевую прибыль а на ободе шес-
терни рис. 322,/, то в термическом узле сочленения со спицами будут
вторичные усадочные раковины (покаваны точкой). Для их ликвидации
необходимо применить либо внутренний, либо наружный напуск (322,/
вверху, слева и справа) Аналогичное мероприятие приходится прове-
сти и во втулке. Увеличивается расход металла и особенно значи-
тельна механическая обработка. Простое же изменение конструкции
(рис. 322,/, внизу) ликвидирует все эти недостатки и позволяет обеспе
чить полное питание отливки обычными местными верхними прибылями.
Такое же изменение конструкции может быть успешно произведе-
но и в отливке шкива (рис. 322,2) и ролика (рис. 322,3). Прн этом
значительно упрощается также техника формовки (рнс. 322,2 и 3).
Установка прибылей и выпоров на стальных отливках
481
Возможное изменение конструкции для сочетания условий надле-
жащего питания и упрощенного способа формовки отливки более
сложной конфигурации представлено на рис. 323.
Рис 323. Изменеяяе ковстружции уха черпак» для полу-
чения здоровой отливки прн наиболее простом способе фор-
мовки м без излишних припусков ин обработку
Наиболее просто формовка крупной отливки уха черпака произ-
водится по схеме рис. 323,/. Однако, при установке прибылей Л, вслед-
ствие имеющегося соотношения толщин а и Ь, неизбежно появление
вторичных усадочных раковин, какие бы мероприятия нн были прове-
дены литейщиком (рис 323,/). Для ликвидации раковин в ответствен-
ной части данной отливки (в лапах) необходимо либо дать значитель-
ный припуск с (рис. 323,2), либо заливать лапами вверх (рис. 323.5).
Однако при этом способе заливки на ребре е нельзя установить доста-
точно большую прибыль для питания нижней части отливки, а крепле-
ние стержней / и g в верхней опоке дорого и технически трудно
осуществимо. Обработка же припусков cud для получения габарит-
ных размеров отливки — чрезвычайно трудоемкий операция. Изменение
конструкции (рис. 323,4) позволяет просто н удобно заформовать из-
делие, правильно установить прибыли и обеспечить получение здоро-
вой отливки без излишних припусков на обработку.
Г. РАСЧЕТ ПРИБЫЛЕЙ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
1. Принципы расчета прибылей стальных отливок
Многообразные условия расположения, конструирования, заливки
и охлаждения прибылей пока не дают возможности теоретически точно
рассчитать их размеры. Некоторые известные попытки расчета всегда
связаны с рядом ограничивающих условий и с необходимостью прини-
мать те или иные эмпирические зависимости. Последние получаются
обычно -в определенных местных условиях и поэтому только после кри-
тического анализа могут быть использованы для того илн иного обоб-
щения.
Полный и действительно объективный расчет должен был бы при-
вести к определению высоты н сечения прибыли после решения
вопроса о ее расположении, режимах заливки и охлаждения. Извест-
ную роль должен был бы также играть вопрос об использовании ат-
мосферного или иного давления для улучшения работы прибыли. Рас-
31 Зак. ТС. К> А Нехевдзи
482
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
считанные таким образом размеры прибыли должны были бы обес-
печить:
а) объем прибыли, необходимый для питания жидким метал-
лом усадочной раковины непосредственно в отливке и для образования
твердого металла в самой прибыли за период затвердевания отливки;
б) сечение прибыли как элемента ее объема и конструкции
отливки в целом;
в) высоту прибыли, необходимую для соответствующего на-
пора, для получения требуемого объема прибыли, для компенсации
высоты усадочной раковины, усадочной рыхлости н зоны всплывших
включений.
В простейшем случае или для первого приближения константы
затвердевания прибыли и отливки допустимо принять одинаковыми.
Тогда сечение прибыли может быть определено после решения вопро-
са о ее расположении методом вписанных окружностей или расчетом
по конструкции отливки (Rn > Л J. При этом, следовательно, пренеб-
регаются условия подвода металла (сифоном или сверху), режим за-
ливки (горячо или холодно, -с доливкой или без нее, медленно или
быстро) и кинетика процесса затвердевания.
Таким образом, если при подобных допущениях установить сече-
ние прибыли, то основной задачей расчета явится определение высоты,
а следовательно, я объема прибыли. Элементарно простое определение
высоты прибыли может быть произведено по приведенному выше экс-
периментальному ее отношению к диаметру, fij d=I,0—1,5, обосно-
ванному в известной мере расчетом минимальных тепловых потерь
(стр. 457). В других методах расчета задаются в скрытой или явной
форме отношением высоты прибыли к высоте отливки (НаНи).
2. Методы и данные расчета прибылей
1) Определение сечения прибыли. После решения вопроса о рас-
положении прибыли сечение ее, приняв указанные выше допущения,
можно наиболее просто определить путем вписанных окружностей или
изотерм-изосолидусов. Можно также задаться минимальным попереч-
ным размером прибыли в 1,1—1,25 соответствующего размера отливкн.
Для легкоотбнваемых местных прибылей небольших отливок можно
принять в среднем (без учета заливки сифоном или сверху) отношение
приведенных толщин ЯПА*О=1,2 (см. рис. 301). По данным Сталин-
градского тракторного завода, для более толстых отливок кубической
формы, заливаемых только сверху, /?„//?„ = 1,1А. Д. Попов [138],
предложивший использовать отношение Лп7?0, хотя н выбрал неудачно
по форме отношение вес G/поверхкость охлаждения вместо
объе-м/поверхность охлаждения, также 'приводит аналогичные данные
по Уралмашзаводу, рис. 324.
Определив из кривых рис. 324 величину G/O кг]ся? и задавшись,
например, можно подсчитать размеры цилиндрической
прибыли, охлаждаемой сбоку и сверху, из простой зависимости
О Ъы* 6,9 0,001 „„
— =------------— х 0,003 г.
О 5пг2
При установке вескольких прибылей для G следует принимать вес
только соответствующей части отливки.
2) Определение высоты прибыли. Как отмечалось, часто можно
определить высоту обычной прибыли в виде первого приближения из
простого эмпирического соотношения H„/d=*= (—1,5. Но во многих слу-
1 С. Н. Горшоппг, Доклад в Техническом Совете НКТП 4/1 1944 i.
Установка прибылей и выпоров на стальных отливках
4ЯЗ
324. Соотношение приведении* тол-
жрнбыли л отгиеки по данным Урал-
----- — --------- литья (масштаб
Рис
тин
ышизавода для разного ____________ ,____
кг)'см2) и для крупных ш; ботов
(масштаб т/м2)
Кремер [[32]
заводе) под-
зависимость.
рис 325 jon-
сущсству от-
чаях эту высоту полезно проверить или прямо определить по отноше-
нию к высоте отливки. Очевидно, что отношение HJHO — g
должно уменьшаться по мере увеличения высоты отливки. Это отно-
шение, таким образом, должно подчиняться некоторой криволинейной
зависимости, вероятно параболической. Исследование статистическим
методом большого количества разнообрвзных отливок в двух крупных
различных литейных (А. А
Рыжиков [46] на Уралмаш-
заводе и М. А. тл-----
па Кировском
твердили эту
рнс 325.
По данным
ределяется по —_______л
ношение р=Нп/Йо, так как
в принятой характеристике
G/F—всс/сечсние пливки-
скрыта ее высота. Для легко-
отбиваемых прибылей, отли-
вок небольшого развеса и с
протяженностью L иол
но принять эмпирически ю
формату 10’|/я^ [>32].
Для строго теоретическо-
го расчета высоты прибыли
следовало бы предварительно
рассчитать форму и высоту
усадочной раковины. Возмож-
ный метод такого расчета рас-
сматривался выше (формула
34). Б. Б. Гуляев [139] пред-
ложил принять в основу рас-
чета отношение высоты уса-
дочной раковины к высоте
прибыли и, в отличие от формулы (34) определять размеры усадочной
раковины с учетом охлаждения прибыли сверху. Формула
Рис. 325. Соотношение между высотой прибылей н высотой отливок
(G/f0 = г Го/Fo =»’,•#- 1 различного веса и толщины стенок
484
Влияние состава стали, ее подвода и питания на качество отливок
Б Б. Гуляева, выведенная теоретически для определения высоты
прибыли Н„ будет
",
где G—вес питаемой части отливни,
о — отношение высоты раковины к высоте прибыли,
Fp — среднее сечение раковины и
17 — функция, определяемая в зависимости от коэфициентов се-
чения и формы прибыли» по графику рис, 326,
Рис. 326. Отделение
функции П для расчета
.аысоты прибыли в зависи-
мости от коэфяцпеттоа се-
чения С и формы Ф при-
были (т = 2 для открытой
Этот метод расчета высоты прибы-
ли также построен на ряде допущений.
Принимается одинаковая константа за-
твердевания отливки и прибыли, следо-
вательно, не учитываются разнообраз-
ные условия заливки и охлаждения.
Принимается на основе ряда данных от-
ношение Нр,;Нп ОТ 0,65 ДО 0,75, от-
ношение Fn'Foor 3 для цизнндрической
и до 5 для сферической и параллелепи-
пеидальнон прибыли (с отношением
—=4). Также принимается относитель-
ная скорость затвердевания сверху (т)
открытой Прибыли в два раза больше
закрытой, относительный объем усадоч-
ной раковины в 3,5% и т. д.
Расшифровывая физический смысл
этой формулы, можно установить, что
она по существу основана также на оп-
ределенном соотношении между высотой
и объемом усадочной раковины и соот-
ветствующей высотой н объемом лт-
J1IIBKH
Нл^=— П= .
a F^ F ‘
Ha Р
1 HB-FO
1-П Н,-Р, •
.прибыли и 1 для закры-
той. R —радиус игнсаявой Но в рассматриваемом методе расчета
окружности у основания это соотношение не является чисто эм-
пирическим, а определяется в зависимо-
сти от некоторых переменных факторов влияния размеров и формы
прибыли и отливки. Поэтому расчет по формуле (80) и рис. 326 может
рассматриваться как более обобщающий по сравнению с рассмотрен-
ными выше чисто эмпирическими данными для определения высоты
прибыли
1 Конкретные примеры расчете размеров прибылей для некоторых типовых
отливок рассматриваются в «Учебном руководстве к лабораторным занятиям».
ОТДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ отливок
И ВЛИЯНИЕ НА НИХ СОСТАВА СТАЛИ
ГЛАВА XV
МЕХАНИЧЕСКИЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ
И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
Качество отливок должно удовлетворять определенным требова-
ниям механических, специальных физических или хи
м и ч ее к и х свойств.
Следует найти оптимальное сочетание условий обеспечения
требуемых свойств с условиями получения здоровых отливок при паи
более высоких технико-экономических показателях производства.
Каждая отливка представляет собой изделие определенной конст-
руктивной формы, с литейной коркой (отливки редко обрабатываются
полностью), с известной неоднородностью и возможными дефектами
Нужно учитывать влияние особенностей литейных свойств металла
и процессов его первичной и вторичной кристаллизации со всеми свя
ванными явлениями в отливках.
1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
Конструкция и размеры отливок как деталей различных машин
определяются в зависимости от действующих на них нагрузок. Но часто
решающую роль играют общие конструктивные н габаритные
соображения.
Стальные отливки должны обладать определенными механиче-
скими свойствами.
В зависимости от температурных условий службы отливок следует
различать механические свойства при нормальных, низких,
повышенных и высоких температурах.
В зависимости от вида и рода приложенных нагрузок следует
различать статические и динамические механические свой-
ства. К последним можно отнести сопротивление переменным нагрузкам
(предел усталости) и способность к поглощению вибраций.
Хотя современные данные и указывают, что 80—90% разру
шений литых деталей машин происходит d хрупким изломом устало-
сти— все же основным методом испытания механических свойств
стальных отливок еще является простое растяжение образцов. Для
характеристики динамических механических свойств стальных отливок
в последнее время начинает широко применяться одновременное испы-
тание на ударную вязкость.
Образцы для испытаний механических свойств берутся обычно
из специальных пробных планок, приливаемых к отливкам или зали-
ваемых самостоятельно. Необходимо подчеркнуть, что показатели
свойств образцов из этих планок значительно
отличаются от соответствующих свойств самой
отливкн.
486 Свойства стальных отливок и влияние ita них состава стали
В зависимости от толщины стенки отливки, метрда ее заливки
и охлаждения, металл одного того же состава будет иметь различ-
ное строение при первичной и вторичной кристаллизации. Не только
в разных отливках, заливаемых данной плавкой, но даже в отдельных
частях одной отливкн будут иметься, наряду с различным строением,
и различная форма и расположение включений, различная неоднород-
ность состава и т. п. Кроме того, наличие неизбежных остаточных
напряжений, той или иной величины, также влияет в известных усло-
виях на показатели механических свойств отливки.
Даже в идеальных условиях полной идентичности строения пробной
планки и отливки, что иногда возможно при установлении одинаковой
толщины планки и отливки. — испытания образца не смогут характе-
ризовать свойств отливкн Р^.' образец: будет фырсван Я5 пданкл или
Рнс. 327. Силовые линия и концентрация напряжений в паровоз-
во! раме при приложении внешней нагрузки
(в местах белых стрелок)
прямо из тела напряженной отливки, в нем сразу произойдет соответ-
ствующая деформация и напряжения исчезнут.
Таким образом, испытанию вырезанных образцов
нужно придавать условный характер метода опре-
деления качества металла, пошедшего на заливку
данного изделия.
Данную условную оценку свойств металла нужно делать незави-
симо от того, что образцы, по некоторым техническим условиям, выре-
заются непосредственно на тела отливки или из пробных планок,
имеющих толщину стенок отливки.
Наконец, необходимо отметить, что, даже определив механические
свойства металла самой отливки, нельзя еще получить полного пред-
ставления об истинной ее прочности. Всякая отливка предстааляет
собой конструкцию с отверстиями, углами, переходами и другими
участками концентрации напряжений. Средняя величина напряжений,
действующих в отливке при приложении внешней нагрузки обычно зна-
чительно меньше предела прочности или даже предела упругостн.
Однако местные напряжения могут быть настолько велики, что прибли-
зятся к максимально допустимым. В худшем случае они превзойдут
прочность металла при данном виде нагрузки н отливка разрушится.
Распределение силовых линий и соответствующая концентрация
напряжений при приложении внешней нагрузки1 видны из разреза
целлулоидной модели отливкн паровозной рамы, рис. 327.
Учитывая всю условность методов испытания металла отливкн
и подходя к нему как к методу испытания металла, пошедшего на
1 Оптический метод измерения напряжений
Механические свойства стальных отливок
487
заливку, нужно по возможности стремиться к испыта-
ниям непосредственно самой отливки. Испытания отли-
вок в условиях, наиболее близких к действительным условиям их
службы, являются наилучшими, но далеко не всегда достижимыми.
Например, к литым стальным узлам еамо.тето», несущим определимый груз,
подвешивается при испытании эквивалентный или. для запаса, бсЛывий груз. Звенья
якорных цепей крупных судов подвергаются испытательному растяжению ва специ-
альных прессах. Аналогичному испытанию ил растяжение подвергаются танковые
гусеницы из литых трак, а отдельные траки самостоятельному испытанию яа гиб.
Отдельные снаряды из предъявленной партии подвергаются отстрелу при повышен-
ном заряде на полкгояе, в каждый снаряд гидравлическому испытанию под большим
давлением. Отдельные броневые отлнвки подвергаются обстрелу под различ-
ными углами бронебойными снарядами. Отливки арматуры, деталей турбин, насосов
и т. п. подвергаются каждая обязательному гидравлическому, а в некоторых случаях
и паровому давлению. Отлнвки фор- и ахтерпггевней судов бросают с определенной
высоты на мягкий грунт, а отлипни якорей Холле даже на стальную плиту (имити-
руются условия попадания на скалу).
В практике наблюдается много случаев, когда отлнвки не выдер-
живали подобных испытаний, хотя механические свойства стали прн
испытании образцов из пробных планок и даже из отливок были вполне
удовлетворительны. В месте излома отливки или течн при гидравли-
ческом испытании обнаруживаются обычно дефекты в виде местных
горячих трещин, усадочных раковиф или включений. Но часто в месте
излома при динамических испытаниях никаких видимых дефектов не
наблюдается В этих случаях, при удовлетворительных механических
свойствах, излом получается вследствие влияния црпрнвнльйой конст-
рукции отливки или остаточных напряж.пнй.
Испытания механических свойств отливок кмеют аднако решаю-
шее значение для текущего контроля Производства и для опре-
деления сравнительных свойств различных марок
стали, влияния различных элементов состава стали
и режимов термической обработки.
Поскольку испытание свойств образцов из пробных планок харак-
теризует только качество металла, пошедшего на заливку данного
изделия, постольку допускается заливка планки отдель-
но от отливки. Форма планки и метод ее заливки имеют
большое практическое значение. Очевидно, что испыта-
ние образца из планки должно выявить оптимальные
свойства металла, чтобы иметь известный, наиболее вы-
сокий критерий для суждения о свойствах отливки.
На основе ряда исследований было установлено, что
для углеродистой стали наилучшей толщиной планки
следует считать 25—40 мм, а для легированной — план-
ки толщиной, равной массивной стенке отлнвки [140[.
Более высокие результаты должны
дать образцы, вырезанные из самой ниж-
ней части планки (рис. 328). В этой зоне наилуч-
ших условий кристаллизации интенсивное охлаждение
с трех сторон, полное питание образующихся межкри-
сталлитных пор по всей длине образца, наибольшая од-
нородность стали и минимальное содержание неметал-
лических включений.
Если взять образцы для испытания по высоте план-
ки, то получаются значительно худшие результаты. По
отобранным образцам № 2—7 и 9—12 (рнс. 329) определено по срав-
нению с № 1 н 8 понижение предела прочности с 44 до 32 кг/мм7, а
удлинения с 25 до б—7%. В подобных условиях отбора образцов удар-
ная вязкость может понижаться с 4,8 до 1.6 кгм'см* (рнс 330).
Рис. 328.
Схеме про-
цесса кри-
сталлнзапгм
в сеченви
длинной то-
порикообраз-
ной пробной
пленки
488
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Для повышения механических свойств металла в нижней доле
пробной планки ее следует делать уширяющейся кверху (управляемое
направленное затвердевание), рис. 331.
Рис. 329. Схема отбора образцов на растя-
жение из разлнчвнх мест пробной п танки
для определения влияния расположения
образцов па показатели механических свойств
Но И В этих пробных
планках верхние образцы
будут иметь несколько худ-
шие механические свойства,
чем нижние. Например, уд-
линение может падать ® об-
разцах В и С до 22 и 12%
против 26% в Л, а относи-
тельное сужение до 23 и
16% против 30 % .
Взятие пробы нз ниж-
ней части планки вызывает
повышенный расход метал-
Рис. 330. Схема отбора образцов
на ударную вязкость и ее со-
ответствующие показатели \кгм1смг
Шарли) в различных местах проб
ной планки
Рис. 331. Конструкция пробной планки,
обеспечивающая яапраа»евное затверде-
вание
ла и при переиспытании образцов, отбираемых уже поневоле из верх-
ней части планки, ведет к понижению соответствующих показателей
свойств. Поэтому у нас и за границей часто рекомендуют трефо- или
звездочкообразную форму пробной планки (рис. 332, 333).
В такой планке вертикально заливаемые образцы также получают
охлаждение с трех сторон. Они будут давать достаточно удовлетво-
рительные результаты только в том случае, если вырезаются из наруж-
Механические свойства стальных отливок
489
ных зон планки, имеющей массивную прибыль. Образцы же аз средних
зон неизбежно будут иметь пониженные показатели механических
свойств, особенно пластичности (табл. 48).
Таблица 48
Механические свойства углеродистой стали (С — 0,30%)
из пробной планки типа рис. 332
Место взя-
тия образца
Предел те-
кучести
fCH/MM*
Предел
прочности
°ь
KljMM*
Удлине- Огиоситель-
иие ное сужение
\ 4
2
3
4 (центр)
28,9
28,9
28,4
28,0
46,6
46,7
46,4
13,8
33,0
34,0
34,0
15,0
46.0
42,0
47.2
16,8
Образцы из звездочкообразной пробной планки (рис. 333) дали
показатели прочности иа I—2 кг'мм3, а показатели удлинения н отно-
сительного сужения — на 3—5 и 5—7 % более высокие, чем из топо-
рикообразной планки (см. рис. 331)'. Эта раз-
ница в известной мере объясняется разницей
ц толщинах этих плаиок (25 и 40 мм).
Поэтому автор считает правильным для
исследования свойств ствли, в особенности
для отливок с различной толщиной стенок,
применить топорикообразную пробную план-
ку. В образцах, отобранных из самой нижней
доли такой планки всегда будет отсутствовать
влияние усадочной рыхлости, следовательно,
будет обеспечено получение нанлучших показа-
телей механических свойств
Для определения механических свойств
стали уже с целью текущего контроля произ-
водства можно рекомендовать, на основе оче-
видных экономических соображений, звездоч-
кообразную пробную планку типа рис. 333
(она дает одновременно 8 образцов, свойства
которых отличаются сравнительной однород-
ностью) .
Поэтому предложенное применение для
легированной ствли пробных планок с «приве-
денной толщиной», как v отливки, имеет осо-
Рис 333. Звеэдочиооб-
разная форма пробной
планки
бое значение. В производственных условиях
при изготовлении массивных отливок толщина пробных плаиок долж-
на иметь разумную предельную величину. Она определяется ответст-
венностью отливкн и условиями ее изготовления, в частности, устанав-
ливаемым методом термической обработки.
В условиях серийного производства для облегчения труд-
ностей изготовления толстых пробных планок можно установить опре-
деленное соотношение между показателями механических свойств
из обычных и толстых планок. В табл. 49 приведены соотношения,
определенные экспериментально на одном заводе для отливок арма-
туры из хромомолибденовой стали.
। Указанные результаты получены на стали, выплавленной в высокочастотной
кислой печи в исследовании совместно с С. М Окноаым.
400
Свойства стальных отливок и влияние на нах состава стали
Та в лиц я 49
Соотношение между показателями механических
свойств пробной планки от отливня я пробными
планками, залитыми различной толщины,
из хромомолибденовой стали (0,25% С; 6,0% Сг,
0,60% Мо)
Механические
свойства
Предел текучести
с5> кг/жж? . .
Предел прочности
оь. кг!мм* ....
Удлинение в4, о/в . ,
Относительное суже-
ние ф, °'о.........
Отдельно залитые пробные планки толщиной мм "5 С О
25-35 50-65 75-99
56,0 52,5 49,0 52,5
77,0 70,0 63,0 70,0
16,5 15,0 14,0 11.0
30,0 28,0 25,0 18,0
Из табл. 49 видно понижение механических свойств не только
в пробных планках, залитых отдельно, по мере увеличения их толщины,
но и в пробной плавке, непосредственно прилитой к отливке.
В практоке всегда наблюдаются более низкие пока-
затели в прилитых пробных планках, чем в отдельно
залитых. Объясняется это худшими условиями питания прилитой
планки и тем, что в ней легко застревают неметаллические включения
(планка представляет собой впадину в нижних горизонтах формы; опа
располагается обычно далеко от питателей и заполняется холодным
металлом). Лишь в тех случаях, когда планка находится под массив-
ным сечением отливкя и обеспечиваются хорошие условия питания нз
прибылей,—возможно получение достаточно высоких показателей
свойств. Прн этом в таких массивных сечениях будут обеспечены вы-
сокие свойства только в случае длительного гомогенизирующего отжи-
га (табл. 50).
Таблица и
Механические свойства массивных отливок, определенные но радиально
вырезанным образцам из тела отливок
Состав стали, %
Термическая
Si
Ми
обработка
<ss
6000
0,81
0,034
0,039 10 час 885° н
10 »
100С0
50000
0,30
0,30
0,70
0.010
0,035 10
10
3
0,69
0,032
0,037 20
11В
870° н
675° п
Механические свойства
845° п
695е п
900е в
845° п
700° в
S
Механические свойства стальных отливок
491
Технические условия разных стран требуют определенных показа-
телей механических свойств по образцам, вырезанным нз отдельно
залитых пробных планок 1 Лишь для некоторых отливок специального
назначения требуется вырезать образцы непосредственно из определен-
ных мест (снаряды), либо подвергать отливки прямому испытанию
без оценки механических свойств (броневые детали).
Большинством технических условий, в особенности для отливок от-
ветственного назначения, предусматриваются необходимые режимы тер-
мической обработки. Требуемые показатели относятся обычно к испы-
таниям образцов на растяжение, изгиб и удар прн нормальных темпе-
ратурах. В отдельных случаях контрольные испытания производятся
при температурах службы отливки.
А. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
ПРИ НОРМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
1. Статические механические свойства стальных отливок
Все показатели механических свойств определяются тем сопро-
тивлением упругим и пластическим деформациям, которым обладает
данный металл в испытываемой конструкции (бруске). Они следова-
тельно, зависят не только от свойств металла, по п от формы и разме-
ров образца и от метода приложения нагрузки.
В практике, при определении статических механических свойств
путем растяжения образца, устанавливают обычно характеристики не
упругих, а пластических необратимых деформаций. При этом опреде-
ляются следующие показатели-
а) предел пропорциональности, упругости и теку-
чести, характеризующий напряжения, вызывающие появление пла-
стической деформации металла;
б) предел прочности, характеризующий напряжение,
вызывающее максимальную равномерную пластическую деформацию
металла;
в) относительное удлинение и сужение, характери-
зующие величину пластической деформации к моменту разрушения
образца.
1. Пределы пропорциональности, упругости и текучести в стальных отливках.
Обычно предполагается, что для стали применим закон Гука о прямой прооорпно-
пз.чьноё зависимости между действующим напряжением и получаемой упругой, обра-
тимой деформацией.
Необходимо отметить, что даже для стали (не только для чугуна) современная
физика, иа основании уравнения потенция тьмой энергии кристаллической решетки,
доказывает неприемлемость закона Гука. Для стали, как и для чугуна, зависимость
между напряжениями и деформациями определяется некоторой кривой, а не прямой
линией.
Таким образом, закон Гука является только первым приближением к рассма-
триваемой зависимости. Строго говоря, для стали не существует и абсолютно полной
упругой деформации. Рентгеновские и другие исследования точными приборами
неопровержимо доказывают» что во всех металлах уже при самых небольших на-
грузках замечаются линии сдвигов (необратимые Деформации} в отдельных слабых
кристаллах.
Это явление особо заметно при повышенных температурах и имеет большое
практическое значение для оттивок паровой арматуры, цилиндров турбин в т. п.
При действующих нагрузках значительно меньших, чем определенный прн испытании
предел упругости, метали с течением времени начинает получать пластическую де-
формацию Метвлл как бы ползет, вследствие чего это явление называется «ползу-
честью» или иногда «крипом» (от английского — creep).
1 Содержание различных технических условий здесь опускается. Характеристики
требуемых различными условиями показателей механических Свойств приведены
в «Методических указаниях к лабораторным работам».
482
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
1аким образом, определяемые при испытании растяжением значении пределов
пропорциональности п упругости имеют весьма условный характер. Они за-
висят от точности применяемых приборов, определяющих величину остающейся яе
формации (обычно для 0.01. 0.03 и 0.08% удлинения).
Поэтому в подавляющем большинстве технических условий на приемку сталь-
ного литья и в исследованиях его качества определяется обычно только «практиче-
ский» предел упругости. Он соответствует напряжению, при котором получается при-
мерно 0,2% остающегося удлинения По существу это напряжение может быть ото-
ждествлено с условным пределом текучести, обозначаемым в дальнейшем о,
Показатели з, будут тем выше чем больше может быть допущена нагрузка
до момента интенсивного развития пластических деформаций в испытываемом объеме
Поэтому мелкозернистое строение стали, затрудняя образование сдвигов, является
одним из основных условий для достижения высоких значений а,
Большую роль играет также искажение решетки основной массы крнсталлжта.
Следовательно, для повышения значений о, нужно вести легирование стали танимн
элементами, которые путем усиления междуатомных связей, искажения решеток
из-за различных атомных объемов дли путем непосредственного блокирования —-
препятствуют образованию сдвигов в кристаллитах. Термическая обработка в свою
очередь должна обесдечяватъ получение дисперсных ф 13 структуры, что требуется
также для повышения предела прочности.
2 Предел прочности при растяжении сь (кг/ям9) в стальных отливках. Расчег
прочности литых издвлнй ведется всегда на начальное сечение их Поэтому для
стальных отливок принимается показатель предела прочности при растяжении
сд кг!мм\ а не истинное сопротивление разрыву Sm (в шейке образца).
Показатель о*. также как и . определяет сопротивление пластическим де-
формациям. Как известно, вследстаие векториальности свойств кристаллов, это со-
противление пластическим деформациям различно в различных направлениях кри-
сталлита.
В оттивке, вследствие безразличной ориентировки большого количества кри-
сталлитов, получается фактически однородность («изотропность») свойств в различ-
ных направлениях, несмотря на неоднородность («анизотропность») свойств каждого
кристаллита в отдельности (<ква анизотропность» отливкн — стр. 76) Чтобы и в об-
разце для растяжения получить ту же независимость свойств ст векториальности
кристаллитов, необходимо иметь достаточное их количество Должно быть выдер-
жано определенное минимальное отношение объема зерна к рабочему объему об-
разца.
Поэтому икибояее правильно устанавливать диаметр разрывных образцов для
литой стали в 15—20 мм. Лишь для мелкого верна можно устанавливать медьший
диаметр образца.
Не только векториальность свойств определяет извествое положение, что,
чем крупнее зерно, тем при прочих равных устовпят меньше и оь.
Если благоприятные для етто.тьженип кристаллические плоскости расположены
под углом в 45°- к направлению деформирующей силы, то потребуются сравнитель-
но небольшие ее зааченпя для обравоваиия сдвига. Очевидно, что при большом
количестве зерен обраэоваже сдвигов будет уже значительно труднее Наряду
с кристаллитами, благоприятно расположенными по направлению к растипваюшей
силе, обязательно будут находиться и такие кристаллиты, которые потребуют при-
ложения уже больших нагрузок для образования плоскостей скольжения.
Кроме того, повышенное сопротивление мелкозернистого строения определяется
еще тем. что на границах зерен имеются искаженные и различно ориентированные
решетки. Имеется также особое напряженное состояние и, как дополнительно отме
чает акад. А. А. Бочвар [14!], чисто механическая связь между отдельными кри-
сталлитами. Они соединены между собой «зубчиками», играющими роль «шннов».
затрудняющих поворот криетаттов в благоприятное для образования плоскостей
скольжения положение (рнс. 334).
Рис. 334. Схема внутрикристаллигного (по зер-
нам) (в) в меж кристалл итиого (б) излома стали
Механические свойства стальных отливок
493
Этим механизмом пластической деформации ц повышенной прочностью погра-
ничных зон кристаллов следует также, объяснить тот фант, что обычно излом
стали при нормальных температурах имеет внутрикриста fl-
ли т н ы й характер (по зернам) (см. рис. 334).
Как указывалось ранее (стр. 99). при толстой межкристаллитной пленке, при
включениях и раковинах, расположенных между кристаллитами, произойдет меж-
кристалл и т и ы й излом.
Таким образом, для повышения сопротивления пластическим деформациям не-
обходимо повышать как прочность отдельных кристаллитов (внутрикриегяля1ппую
прочность), так и прочность границ их (межкристаллитную прочность).
Для повышения пределов пропорциона тьностп, упругости и текучести иеобхо
димо прежде всего повысить ияутрвнристаллнтную прочность. Для повышения же
необходимо повысить и межкристаллитную прочность.
Для данного размера зерна повышение прочности возможно двумя путями.;
искажен и ем кристаллических решеток, что затрудняет трансляцию
атомов, либо прямым блокированием образующихся плоскостей сколь-
жения.
Исвлжение решеток в истой стали возможно прежде всего путем легировании
элементами, дающими твердые растворы с железом, (замещении иди внедрения).
Влияние легирующего элемента будет тем сильнее, чем больше разнятся между собой
объемы атомов элементов твердого раствора, чем прочнее электронике связи между
ними Плоскости кристаллической решетки, искривляясь, приобретают «волнистый»
вид. Плоскости сдвигов образуются тем труднее, чем выше «волна» и глубже
«впадина».
Блокирование плоскостей скольжения может быть осуществлено мелкими дис-
персными включениями в основной массе кристаллита и по его границам. Эти вклю-
чения, с одной стороны, кик бы умельчают зерна, а с другой — образуют «тлимы»,
препятствующие образоваяию плоскостей скольжения
Влияние подобных включений более аиачитеньно, чем искаженна кристалличе-
ских решеток. Ойо проявляется тем больше, чем мельче включения, т е чем выше
степень дисперсности структуры (до определений критической величины).
Наиболее высокая степень дисперсности получается обычно в начальные мо-
менты распада твердого раствора. При этом нужно отметить, что дисперсная фаза,
начинающая выпадать из твердого раствора, предварительно искажает его кристал-
лическую решетку (выпадающие атомы меняют свое положение относителыш атомоп
растворителя).
Приведенные схематически и кратко некоторые элементарные положения теория
прочности должны все же объяснить ряд вопросов, важных в лровзводстве стальнщх
отливок.
Например, повышение содержания углерода в стали повышает прочность в тем
большей степени, чем мельче карбиды (табл. 51)
Таблица 51
Некоторые свойства основных
структурных составляющих
углеродистой стали
Структур-
ная состав-
ляющая
Предел
прочности
кг!мм*
Удни-
нение
°'о
Феррит . .
Перлит - -
Сорбит -
23
53
70
40
20
15
При повышении содержания хрома в стали с низким содержтянем уг.чередгя
прочность ее повышается сравнительно мало. В этом случае хром влияет на иска-
жение кристаллической решетки, образуя хромистый феррит (твердый раствор хрома
в a-железе). При наличии же углерода в стали хром очень резко повышает ее проч-
ность. Образуются мелкие, очень прочные кврбиды хрома. При одияаковом содер-
жании углерода прочность хромистой стали будет выше чисто углеродистой, так как
наряду с хромистым форритом специальные равномерно распределенные мвлкне кар
биды хрома лучше блокируют плосности скольжения, чем частички цементита.
При повышении содержания никеля, не являющегося карбидобразующии
анементом н образующего твердый раствор с жваезом, прочность ваметно повысится
в том случае, если под влиянием никеля произойдет умельчение структуры.
494
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Дисперсной фазой, блокирующей плоскости скольжения, не обязательно должая
быть только карбиды, Применение медистой стали как конструкционного материала
с высокими сл и ci основано на выпадении меди из твердого раствора в процессе
дисперсионного твердения. Повышение показателей 0$ и =* будет меньше, чем
в стали с дисперсной фазой карбидов, но большее, чем в стами, имеющей строение
твердого раствора.
Изложенными соображениями следует также объяснить низкий предел теку-
чести, но высокий предел прочности у аустенитной стали, имеющей строение
однородного твердого раствора. Всладствле низкого предела текучести
в стали под нагрузкой образуется большое количество плоскостей скольжения. Ее
строение благодаря этому как бы умельчается, сопротивление пластическим дефор-
мациям повышается, возрастает твердость и оц (сталь наклепывается).
При выборе состава стали и при оценке ее механических свойств
для отливок, работающих под большими нагрузками, необходимо
обратить внимание на показатели не только ов , но и . Конструктор
должен рассчитывать отливки, базируясь Также на показатели о .
Применяемый часто метод расчета только по значениям эй с увели-
ченным коэфициентом безопасности может во многих случаях оказаться
неправильным.
При близких и даже одинаковых значениях sft для некоторых
марок стали показатели а, могут сильно отличаться. Поэтому боль-
шое принципиальное значение в оценке механических свойств сталь-
ных отливок имеет отношение 100( в %).
Для углеродистой стали в отливках это отношение составляет
45—55, для аустенитной 30—40%, а для конструкционной легирован
нон стали, применяемой для высоконапряженных отливок, повышается
до 60—75%, достигая иногда 85%.
Еще более высокое отношение — - 100 характеризует уже хруп-
аь
кий металл с малой способностью к пластическим деформациям.
Такое высокое отношение характерно, например, для мартенситного
строения стали. Оно поэтому недопустимо для отливфк нз конструк-
ционной стали, несмотря на очень высокие показатели и Для
таких отливок наилучшнм строением является сорбитное, получаемое
при отпуске мартенсита н дающее^- 100 = 60 — 80%.
аь
На основе данных табл. 5J п приведенных соображений о влиянии
элементов состава на показатели cs и в литературе опубликовано
много различных формул для определения cfcno химическому анализу
стали. Очевидно, что эти формулы не могут иметь обобщающего значе-
ния, так как при одном и том же составе стали она может иметь раз-
личное строение в зависимости от многообразных условий первичной
и вторичной кристаллизации. Вместе с тем, подобные формулы могут
представить известный интерес, когда почему-либо нельзя произвести
механических испытаний.
Поэтому следует применять только те эмпирические формулы,
которые выведены для литой, а не для кованой стали и для конкрет-
ных местных условий методом больших чисел. Только с этой точки
зрения можно рекомендовать для определения в отожженных
отливках из обычной углеродистой стали, выплавленной в конвертерах
малого бессемерования, формулу Л. С. Длугача.-
аь= 29+ 38,5 С4-П Sl+13Mn4 60P кг мм*
а для выплавленной в основных мартеновских или электродуговых
печах формулу Ю. А. Нехендзн и А. И. Волкова [142]
аь = 25 + 63 С + 16 Si + 8 Мп кг/мм*.
Механические свойства стальных отливок
496
Для обычной углеродистой стали в литом отожжсном состоянии
оЛ = 40—55 кг/мм1, а °Л=20—30 кг/жле3. Для получения более высо-
ких значений os необходимо производить заквлку с отпуском (улуч-
шение) углеродистой стали или применять легированные стали Наи-
высшие значения о5, применяемые в современной практике производ-
ства стального литья, достигают 120—140 кг/мм2, а —150—
200 кг{мм2.
3. Относительное удлинение и сужение в стальных отливках. Не-
обратимые деформации, получившиеся при растяжении образца, в из-
вестной степени характеризуют пластичность металла. Она опреде-
ляется величиной получаемого относительного удлинения 8
(в %) и относительного сужения, ф (в %).
Как известно, удлинение, получаемое в шейке, влияет особенно
резко на общую величину 8 при: малой длине образца. Чем мень-
ше длина образца, тем больше, при прочих равных условиях, относи-
тельное удлинение 8. Одновременно, чем больше сечение образца f„,
тем больше 8.
Поэтому оценивая показатели удлинения 8, необходимо всегда
учитывать влияние размеров испытываемого образца. Только те пока-
затели удлинения можно сравнивать между собою, которые получены
на образцах с одинаковым отношением /^(расчетной длины к началь-
ному диаметру).
Для испытания стальных отливок применять нормвлытыё образцы с отношением
lid = 10 чрезвычайно трудно. Выше отмечвлось, что для обеспечения кваэниэотроп-
ного состояние обраэод следует иметь его диаметр е 15—20 мм. Следовательно,
длина между кернами нормального обраэод должна быть 150—200 мм.
Такие обрвацы требуют чрезмерно громоздких пробных планок. Поэтому
в практике испытааия стальных отливок применяют обыЧИо образцы длиною
/„= 100 мм или даже /„ =50 мм.
В зависимости от принимаемого диаметра образка <10. 1Б или 20 мм) полу-
чается отношение 1„ =5 и даже 2,5. Относительное удлинение этих образцов будет
значительно большим, чем у нормального образца Ча = Ю. Для нормально отож-
женной углеродистой стала в отливках автором установлено экспериментально
методом больших часел соотношение
Ч - 1,21-вю и Ч.-1.52.8^
где и ®2.б —удлинение на образцах с — =«5, 10 и 2,5.
Все показатели укаипения 8 должны иметь индекс, показывающий размеры
образца Тогда с помощью соответствующих переводных коэфицивнтов можно
оценить получаемое удавиеиис с тем, которое может дать нормальный образец.
Кованая вли легированная сталь, вследствие более мелкозернистого строения
имеет лучшую шейку, чем литая углеродистая, в особенности только отожженная.
Поэтому в такой стали отношение -j имеет еще большее влияние на показатели
удлинения и пл соответствующий переводной коэфициент фпо данным А Шафранко ’
6в-= (1,26 до 1,50)-Sin к Ь,* =(1,60 до 2,31) -Ы-
Обычно, чем мельче зерно в труднее образуются плоскости скольжения, тем
меньше удлинение. Рассмотренные выше пути повышении значений =г и э4 ведут,
таким образом, к снижению ini. Оциако для литой стали необходимо учитывать,
что при чрезмерно крупном зерне, вследствие слабой межкристаллитной прочности,
одновременно с уменьшением уменьшается и в (см., например, рис. 51).
Кроме того, при укрупнении зерна до известного критического размера, увели-
°ение 6 происходит только за счет равномерного удлинения. Под истинной же
пластичностью следует понимать возможность металла разряжать путем деформации
действующие местные напряжения и прн большой величине их менять форму н раз-
меры изделия без разрушения.
Очевидно, что способность металла к местной деформации, характеризуемая
шейкой н показателем относительного сужения ф, лучше определяет нстиввую
I Из практики Ижорского завода.
496 Свойства стольных отливок и влияние на них состава стали
пластичность, чем полное относительное удлинение в- Истивлое удлинение и шейке
всегда значительно выше Д Например, при ф = 50%, удлинение в шейие полу-
чится S -* 1 v , =
100% (металл вытягивается вдвое!.
Лучшая способность местной деформации характеризовать истин-
ную пластичность и общая условность показателей 8 привели к тому,
что современные технические условия часто оценивают пластичность
стальных отливок преимущественно по относительному сужению. Пред-
почтение показателю + имеет особое значение для ответственных от-
ливок из конструкционной стали, обладающей высокой истинной плас-
тичностью, несмотря на сравнительно низкое удлинение.
Для простой углеродистой стали в отливках посте нормального
отжига обычные показатели 8S >20% и & >30%, а для конструк-
ционной стали после закалки с отпуском на сорбит при “s >20%
показатель ф >35—40%. В аустенитной, очень пластичной стали
(строение однородного твердого раствора) получается очень большое
равномерное удлинение (о >50—55%) и, благодари этому, большое
сужение (ф>50%) При этом ярко выраженная шейка отсутствует
вследствие сравнительной крупнокристалличности строения
4. Испытание на изгиб. Угол изгиба и сопротивление изгибу
в стальных отливках. Испытание на статический изгиб производится
иногда для пластичных н обычно для хрупких марок стали. Испыта-
ние растяжением на разрыв хрупкого металла (ледебуритной ствли)
не дает возможности оценить ее пластичность вследствие малой вели-
чины В. Кроме того, малейшая неточность испытания (например, не-
правильная центрировка образца в зажимах машины) резко влияе? на
показатель Ь вследствие слабой способности хрупкого материала вы-
равнивать напряжения.
При испытании определяется предел прочности при изгибе по фор-
муле
а Р'1 - кг, мн2,
где Р — разрушающая нагрузка;
/ — расстояние между опорами,
W — момент сопротивления образца.
Эта формула базируется на законе Гука и на распределении де-
формаций и напряжений в изгибаемом бруске по закону прямей линии
(рис. 202в) Формула определит по существу то сопротивление разры-
ву и сжатию, которое испытывают наружные волокна испытательного
бруска при разрушении.
При испытании на изгиб определяется также и стрела прогиба /,
характеризующая пластичность металла. Значения а‘ъ всегда выше,
чем. °ь и достигают, например, для широко применяемой ледебуритной
хромистой стали 60—70 кг!мм2 прн f=5—7 мм.
При испытании на изгиб пластичной стали з‘* уже не определяется
Образец, лежащий на двух опорах, подвергается под действием сосре-
доточенной нагрузки в центре изгибу на определенный угол вокруг
оправки определенного размера. Получается неравномерное распреде-
ление упругих и пластических деформаций (максимальные растяжении
и сжатия в наружных волокнах).
I Оказывает также влияние большая способность аустенитной стали к упрочне-
нию в процессе пластического деформирования.
Механические свойства стальных отливок
497
Поэтому изгиб образца способен также характеризовать истинную
пластичность металла, как и образование шейки при растяжении. При
достижении угла изгиба в 120° наружные растягивающиеся волокна
должны выдержать удлинение в 45—50%.
По некоторым техническим условиям для углеродистой отожжен-
ной стали считается удовлетворительной пластичность, определяемая
углом загиба ,/° = 220—З-з^, что дает Z^7^'I при — 50 кг/мм*.
По данным автора (исследование статистическим методоф 1500 плавок)
для такой стали может быть установлена зависимость минимально
в Z° = 220-2. аь.
Метод испытания изгибом имеет известную ценность также пото-
му, что хорошо вскрывает влияние внутренних и наружных «надрезов»
на свойства металла.
5. Влияние надрезов на статические механические Ьвойства сталь-
ных отливок. В каждой отливке имеются надрезы, вызывающие кон-
центрацию напряжений. Влияние наружных надрезов, связанных
с конфигурацией отливки, иллюстрировалось рнс. 32/ Влияние внут-
ренних надрезов (включений,-раковин) ранее также уже отмечалось.
Поэтому, оценивай механические свойства и особенф пластичность
стали непосредственно в отливке, нужно иметь в вид что они могут
резко отличаться от определяемых показателей при испытании образ-
цов даже при полной идентичности, их состава и строения.
Пластичность не является самостоятельной и независимой харак-
теристикой металла. Она определяете?» совместным влиянием свойств
металла в вида нагрузки Металл, показавший.хорфпие показатели
пластичности при простом испытании растяжением, мфкет дать хруп-
кий излом при многоосной нагрузке и сложных ус^ЙФх службы от-
мывки.
Поэтому для правильной оценки свойств металла в отливке важны
характеристики механических свойств при концентрации напряжений.
Такие условия можно создать в виде первого приближении испытанием
с искусственными надрезами, как это делается, например, в известных
пробах для ударных испытаний
Надрезы ислажают равномерность силового поля по сечению изде-
лия, образуя пики напряжений. По разным исследованиям эти пики
напряжений у острых углов надрезов могут В 10—15 раз превышать
средние напряжения.
Длинные, острые включения, в частности карбидов, а Также вхо-
дящие острые углы конструкций, грубые риски на обработанной по-
верхности, неровности литейной корки — являются наиболее опасными
очагами концентрации напряжений.
Вредное влияние надрезов ие ограничивается образованием пик
напряжений Они одновременно уменьшают способность металла к уп-
ругим и пластическим деформациям.
При длинных надрезах в стали и при одном и том же напряжении
упругая деформация значительно больше, чем прн круглых отверстиях
или соасем без 'Надрезов. Это видно из данных рис. 335..
Пластическая же деформация при острых надрезах настолько сни-
жается, что у стали получается совершенно хрупкий разрыв (например,
в обычной литой углеродистой отожженной стали с 0,19% С орределено
падение удлинения с 31 % на гладком образце для растяжения до 6,5 %
при полукруглом и до 1,1% при остром, надреза на таком образце).
При неблагоприятной (острой) форме надреза, вследствие иовн-
жения способности к пластическим деформациям н объемно напря-
женного состояния, получаются хрупкие и преждевременные взломы
стали. Чистота металла отлнвки, гладкость ее поверхности и отсут-
J2 Зак. 10 Ю. А. Нсхевдав
49В Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
ствне ни ней дефектов являются важными факторами в обеспечении
высоких механических свойств.
Таким образом, получает объяснение известный факт, что у сырой
литой стали, имеющей г строении пластинчатый перлит, часто лолуча-
Рис. 335. Увеличение упругих деформаций и понижение
модуля упругости стати при нзличяи надрезов разных
размеров и формы, но одинаковой протяженности
ются низкие н очень неравномерные механические свойства. При
термической же обработке на сфероидизированные карбиды н, в част
нести, на сорбит не только повышается пластичность, но и резко улуч-
шается равномерность свойств стали
2. Динамические механические свойства стальных отливок
Высокая скорость приюження нагрузки при динамических испы-
таниях оказывает большое влияние на показатели механических
свойств. Как известно, при динамических испытаниях получаются сосре-
доточенные напряжения и. следовательно, сосредоточенные деформа-
ции. Их влияние усугубляется тем, что соответствующие образцы
делаются с надрезами
1. Удельная ударная вязкость (сопротивление удару) стальных
отливок. Испытание на удельную ударную вязкость, производящееся
мгновенным приложением нагрузки к надрезанным образцам, наиболее
полно вскрывает склонность металла к хрупкому разру шепию.
Это испытание еще не всегда применяется, но должно быть рекомен-
довано как обязательное для ответственных стальных отливок, всегда
имеющих 'внутренние и внешние надрезы.
Как известно, получаемые покаьатепи а* (кгмклн) зависят от шагах ф«*тп-
ров: формы и размера образки и надреза (запила), скорости удара, чистоты обра-
ботки образца и даже системы копра Поэтому показатель <7А , как и удлинение
Механические, свойства стальных аТливок
Рис 336. Зависимость между удлине-
нием и ударной вдэкостью для отля-
пок из основной электростали, опреде-
ленная в заводских условиях методом
больших чисел
является весьма условий* величиной. котЬрая всегда должна рвёсматрняаться с уче
том всех перечисленных особенностей условий испытаний, вплоть до температур*
Для стальных отливок обычно применяется полукруглый запил Менаже даю
щнй лучшее рассеиваияе вннряженнй, чем залил Шарпи, и. слеяовптетыю. более
высокие показатели а л. Кроме формы
запила, дли испытааян унарной аяз-
костн литой стали имеет большое зна-
чение размер пробы. Специально про
веденные исследования над сталью
различного состава в литом состоянии
показали, что из трех применяемых в
практике образцов (большой 30 X 30
средний 1Б X 15 и малый 10 X Ю жж)
нанлучшие результаты дает средний
В малых пробах весьма резко сказы-
вается относительное влияние даже
мелких включений. Вместе с тем, дая
нолучеикя относительно сравнимых ре-
зультатов в большинстве технических
условий различных стран приняты об-
разцы 10 X Ю мм.
Испытание на ударную вязкость
ыиболее чувствительно к мвлейшиы
дефектам строения стали Только пока-
затель Ф при испытании растяжением
может иметь известную связь с ал-
Удлкиение й. характеризуя в вехото-
рой мере пластичность, также имеет
<_вязь с Об. выраженную, однако. ме-
нее заметно (рис 336)
Вместе с тем. не только уд
лииение, но даже относительное су-
жение не вскрывают ря.ча тонких
дефектов строения стати. Так.
например чувствительность к хруп-
кости отпуска, зависящую от субмнкресжптгчь кнх выделений по границам зерен,
определяет при удовлетворительных показателях '8 и ф только низкий показатель
«?* . Поэтому для литой стали, уязвимым местом которой по механическим свой-
ствам является возможность низкой межкристаллитной прочности, испытание На
ударную вязкость имеет особое значение.
Для повышения показателей а* кглцем2 необходимо стремиться к
возможно более быстрому распространению па большой объем тех со-
средоточенных и крупных напряжений и деформаций, которые получа-
ются в надрезе при мгновенном приложении нагрузки. Me л к оз е р
н истое строение, с чистыми от включении пограничными зонами,
с однородными свойствами, полученными в результат егомо
геннзации, дает нанлучшую ударную вязкость.
Очевидно, что строение однородного твердого раствора, обладаю
щего способностью к образованию большого количества плоскостей
скольжения и упрочняющегося благодаря этому прн нагрузке, нап
более благоприятно для достижения высокой ударной вязкости. По-
этому высоколегированная аустенитная сталь, если получает меткозер
нистое строение при первичной кристаллизации, дает самые высокие
показатели с* До 30—40 кгм!см- в тонкостенных отливках
В обычной же углеродистой и низколегированной стали, имеющей
всегча включения карбидов, играющих роль надрезов» высокие показа-
тели а* получаются только прн округленной их форме Наилучшее
сорбитаое строение дает с»= 10—15, иногда до 20 кам/сл2, а перлит-
ное после отжига или нормализации 5—Ю кгм!см2 по Менаже (10 X
X 10 мм)
2. Предел усталости (сопротивление переменным нагрузкам)
стальных отливок. Уже отмечалось, что подавляющее большинство
отливок подвергается в условиях службы не статическим (медленно
возрастающим от 0 до з ) или динамическим (мгновенным) нагруз-
32*
500
Свойства стальных оЬливок и влияние на них состава стали
кам, а пульсирующим (от 0 до а) илн знакопеременным (от + з до
—о) нагрузкам, вызывающим излом усталости.
При небольшой частоте и сравнительно малом числе циилов пуль-
сирующие и знакопеременные нагрузки могут еще рассматриваться,
как статические.
При большой же частоте и большом числе циклов (у валков, ма-
ховиков, зубчатых колес, коленчатых валов автомобилей, переносящие
120 млн. циклов, и т. п.) эти нагрузки следует уже рассматривать как
динамические.
Если отливка подвергается вибрациям (симметричному циклу) от
+ аа ДО —°а. то предел усталости при вибрации аи будет иметь
минимальные значения. Если же отливка подвергается пульсациям
то предел усталости прн пульсации е„ будет значительно большим,
чем о„.
Показатели оы н % во всяком случае меньше значений не только
-з6, но н 5%. Поэтому при циклических нагрузках фактически дейст-
вующие в отливке напряжения не должны превышать уже значений
не а 11 °и во избежание излома усталости
Очевидно, что предел усталости. определяемый прн испытании, будет тем
больше, чем меньше число циклов повторной или знакопеременное нагрузки. Пи-
Рис. 337. Кривая зависимое тк пре де та усталости
при аибрацин от числа циклов приложения знако-
переменной м грузки для стельной отливки (угле-
зтому при оценке пока-
зателей зо н Чи необ
.холимо учитывать р —
число циклоп, составля-
ющих обычно 10*. 2 - IO4
или даже 10L Исследо-
вания стальных отливок
показывнют, что увели
чемие числа цнклоь
сверх указанных, вызы-
вая удлинение времени
испытан вн не дает су-
щественных изменении
значений «в и „
Кривая зависимости зо
н я,, от р сверх кри-
тического числа циклоп
медленно. ассимптоти
чески приближается н
оси абсцисс (рис. 337,
Исследованием рнс
337 предел усталости
при анбрации опра-
делен в 17—18 кг/ж.чС.
родиетая стать —излом наступил при =„ 17 -- Этот показатель полу-
18 кг’мм'у чен при аяакоперемен-
пой нагрузке изгиба
В условиях же службы отливок переменный цикл напряжений возможен при раз-
личных видах деформацая: растяжение — сжатие, кручение, изгиб.
По разным данным литая сталь (С 0,2—0,3%) имеет э„ прн имвбе от 40 до
50й от значений зе.лрпчем сырая сталь дает наиназший показатель, а отожженная,
нормализованная и улучшенная — соответственно большие величины. Сравнение же
показателей при различных видах ннгрузки, произведенное для литой стали,
дало аи изгиб» =0,4 “ растяжения — сжатия = 0,28 и о кручекия = 0,22 о».
Приведет: ые Ладене, меньшие чем для кованой сттли. имеют о известное
степени условный характер, так как зависят от многих переменных факторов, в осо-
бенности ст надрезов н состояния поверхности образца. Но во исяком случае нали-
чие пор. межкристаллитных включений и толстой пленял в литой стали вызывает
известное понижение межкристаллитной прочности я, следовательно, предела уста-
лости. Для повышения предела усталости стати в отливках необходимо при первич-
ной кристаллизации добиться возможно более чистых границ зерен, однородности
строения путем гомогенизации, получить равномерно распреде ленные сфероидизиро-
ванные карбиды и пластичный феррит.
Термическая обработка, гомогенизирующая н регенерирующая грубокристад.ти
ческое строение ырой литой стати, повышает ее предел усталости (табл S2)
Механические свойства стальных втливок
501
Таблиц а 52
DiHMHHt отжиги н включений иа предел усталости при изгибе и кручении
и литой углеродистой стали
Термиче-
ская обра
Отношение
1 "V"
иэги- кру-
I бе ченпи
при при
наги- вру-
бе чеки и
А 0.15% С
То же
В 0,37%С (мно-
го включений)
То же
Сырам
900° и
Сырая
850° и
19,5
20,5
31,5
32,5
39,0
40.0
00,0
60.5
22,0
25.5
5,5
9.5
33.0
48,0
5.0
13.0
15,8
15.5
17,5
19,0
9,7
10,5
1з,о
14.0
0,41
0.39
0,29
0,32
0,24
0.26
0,22
0,23
Сталь В. загрязненная включениями, отличается пониженны»» пои аза гелями
?чо. фит дчя данного s6. т. е. пониженным отношением Фь.
Влияние включений и напряженной структуры иллюстрируют также дандые о зави-
симости между sB при изгибе н строением стали. Отношение аа/оь для феррита
составляет 0,57—0,63, нерлита 0.38—0 41 н мвртенента 0,19—0.47.
Наилучшей структурой коиструяционной стали
для достижения высокого предела усталости яв-
ляется сорбитная, но решающая роль в достижении
высокого предела усталости принадлежит без-
условно влиянию надрезов и конструкции отливки.
3. Влияние надрезов и конструкции стальных отливок на их дина-
мические механические свойства В дополнение к уже рассмотренному
влиянию надрезов на статические механические свойства необходимо
отметить, что оно еще бо-
лее интенсивно проявляется
в показателях динамиче-
ских свойств. При этом,
чем выше прочность
стали, чем большие
нагрузки можнопри-
менять, тем сильнее
влияние надрезов. В
этом влиянии заключается
одна из причин, ограничи-
вающих применение для от-
ливок стали особо высокой
прочности (выше 120—
150 кг/лл2).
Самодовлеющее и боль-
шое влияние на предел ус-
талости оказывают литей-
ная корка ц состояние на-
ружной поверхности отлив-
ки. Чистая и падкая, без
шероховатостей, включений, песка и других дефектов, поверхность от-
ihbku весьма повышает предел усталости. Например, в оттивках из
хромомолибденовой стали с аА=90 кг/мл2 исследования определяли
а при изгибе 25 кг!мм- на обработанных и шлифованных образцах
п только 18 кг)мм2, т е. = 20%, на образцах с литейной
Коркой.
Свойства ставных отливок и влияние на них состава стали
Так же, как литейная корка, вредно влияет и окалина, остаю
щаяся на поверхности отливки после термической обработки, рис. 338.
Всякая ’ поверхность является возбудителем напряжений. Но все
же достижение гладкой, без Пригара, поверхности отливки и тщатель-
ная ее обрубка и очистка до и после термической обработки необхо-
димы не только для улучшения товарного вида, но и для повышения
качества отливок. В последнее время даже показано многими иссле-
дованиями, что дробеструйная очистка не только черной, но и обрабо-
танной поверхности значительно повышает предел усталости (комби-
нированное влияние наклепа и гладкой поверхности), рис. 339.
Таким образом, из-за влияния надрезов предел уста-
лости отливок будет значительно отличаться от
предела усталости металла (образца). Отношение ма-
териала к о„ конструкции следует рассматривать, как характери-
стику чувствительности материала к на1реча;м и к
недостаткам конструкции отливок по местной концентра-
ции напряжений (табл. 53).
Таблица ..
Пределы усталости прн вибрация для металлов и конструкций
Выполнение кон-
СТрукцПИ
Свойства металла
°6 «л
kiIm-m1 * кг. мМ1
Кииструк- Отношение
ция з„ .металла
sj к ти «он
кг!мм* струн цнн
Сиярная деталь . .
Кованая деталь.
Литая из стали де-
таль . f .... .
Литая на чугуна де-
таль ..............
Й8.5
06.5
47,0
21.0
18,5
19,0
20,5
11.0
9—10
12
16—17
9-10
1.24
1,16
Эти исследования показывают, что выполнение определенной
конструкции путем отливки вместо сварки или ковки можёт, прн плав-
ных переходах'и чистой поверхности, иметь известные преимущества
Иногда даже чугунная оливка даст более высокий предел усталости,
чем сварная конструкция.
Поэтому-А равп л ьна я конструкция отливки должна
иметь плавные переходы, достаточные радиусы
закруглений, круглые отверстия не только с литей-
ной точки зрения, но и с механической1
Решающее влияние конструкции отливки иа прочность металла в ней усматри-
вается из известных исследований стального вала, рис. 339а.
Сталь высокого качества показала при испытании образца ва растяжение
3*т* V ¥г/*-и’ Предел усталости надрезанного образца оказался при кпучеяии уже
15 кг}*#.3;, в «брзботашшм виде (острые переходы у щек) всего 9 кг/жл*. а в моторе
падает даже до 7 кг!мм3.
Таины образом реальная предельная нагрузка, которую выдержат металл
я определенных условиях работы яа усталость, оказалась в 15 раз меньше его
предела прочности, определенного но образцу. Поэтому, если металл, несмотря на
высокую прочность, обладает большой чувствительностью к надрезам, то применение
-что в некоторых определенны! конструкциях иногда бесцельно. Это следует особен-
jjp учитывать в .связи с общим правилом, что чувствительность к надрезам у всех
металлов тем больше, чей выше нх механические свойства, особенно прочность
(сталь бблее чувствительна, чем чугун)
1 См. раздел о влияний- формы изделий на усталостную прочность в книге
И. Л. Одинга, Допускаемые напряжения в машиностроении н циклическая прочность
металлов, Машгиэ, 1944. 121.
Механические свойства стальных тливок
Рис. ЯМ- Пределы усталости легированного стального
литья в зависимости от надрезов и дробеструйной об-
работки поверхности (Сг—Мо •—сталь; 0,25% С;
1,0% Сг; 0,20% Мо; Сг—Мп—Мо—сталь. 0,20% С;
1.20% 'Мп: 1.50% Сг. 0.30% Мо)
Гис. 339а- Прочность щетилда в зависимости
ОТ условий его работы в конструкции
'Ю& Свойства талиных отливок и влияние иа них со&ава стали
мышленных холодильных установках (до минус 190й): повышенными
температурами — от + 20 до 650:>; высокими температурами — выше
4- 6.10J вплоть до температуры плавления.
Значение температуры в 650° принимается потому, что v большин-
ства марок стали выше этой температуры уже начинаются фазовые
превращения и усиливаются процессы коррозии, резко меняющие соот-
ветствующие механические свойства.
В условиях работы при высоких температурах счедует отличать
понятие о жаростойкости и жаропрочности.
Жаропрочностью называется способность стали не изменять
механические свойства при высоких температурах.
Жаростойкостью называется способность стали сопротив
литься против окадпиообразования.
При высоких температурах отливки подвергаются обычно
небольшим нагрузкам и работа их определяется главным образом ’жа-
ростойкостью. Пра повышенных же температурах отливки под-
вергаются сравнительно большим нагрузкам (в современных силовых
установках давлению пара до 120 аг при 4 500 -540 ), Длительность
работы отливок в этих условиях будет определяться преимущественно
жаропрочностью.
2. Влияние температуры и времени на механические свойства
отливок
Сталь понижает свои механические свойства, особенно ударную
вязкость и пластичность, при низких температурах. При повышении
температуры особенно резко понижается сопротивление пл а-
.е
га но зоо зоо чоо soo
стическнм деформациям, но
зато увеличивается пластичность. В об-
ласти повышенных температур имеется
критический интервал «синеломко-
сти» (200—300°), в котором наблюдает-
ся известное повышение показателей
A и Зй при одновременном понижении S
ц , рис 342.
Некоторые легированные стали (на
пример, никелем, см- рис. 342), имеющие
мри нормальных температурах более вы.-
сокое сопротивление пластическим де:
формациям, чем углеродистая сталь, яри
новы шейных температурах (около 500а)
обладают почти одинаковыми с ней
Это означает, что строение металла,
определяющее его свойства при нор-
ма тьной температуре, не всегда влияет
точно таким образом и при повышенных
температурах
Понижение сопротив тения п ластиче-
ским дефор.мациям при повышенных тем
пературах объясняется облегчением воз-
можностей образования плоскостей скольжения вследствие увеличения
амплитуды колебаний атомов Разупрочнение, происходящее в металле
вследствие рекристаллизации или «возврат» при повышенных темпера-
Рис 342 Изменение пределов
текучести и прочности стали
при повышенных температурах.
Механические своЛетва стальных отливок
Из рис. 340 и 341 видно, что длительность колебаний в чугуне
значительно меньше, чем в стали Удельная способность к поглощению
вибраций ф в углеродистой
стали больше, чем в леги-
рованной, а в чугуне боль-
ше, чем в стали.
При этом перлитная
структура обладает лучшей
поглотительной способно-
стью, чем сорбитная и тро-
оститная, в особенности при
больших амплитудах ко-
лебаний
Таким образом, м е ь
козернистое, сорбит
и обстроен не являет-
ся лучшим д ч я обес-
печена я высоких ста-
Рис. 341. Влиение строения угтеродистоЯ
ста.-м (0,3'1% С) на удельную сискобоосгс
к поглощению вибраций (логарафмнческнй
декремент) .{по разным 1кстедованвям)
тических и некото-
рых динамических
свойств, но вреди <i
для рассеяния энер-
гии при вибрации.
Нарушение сплошности металла включениями, в особенности
крупными (большие пластинки карбидов в перлите, графит) способст-
вует превращению энергии знакопеременной нагрузки в тепло н соот
вегствующему затуханию колебаний.
На основе этих свойств металла в последнее время широко приме-
няется отливка различных валов (особенно для двигататей внутрен-
него сгорания) из отожженной на грубый перлит стали, из графити-
зированной стали и даже из чугуна. Ошибочные представления о необ
ходимости применения для этих целей высокопрочных материален
уже устарели.
Б. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
ПРИ НИЗКИХ, ПОВЫШЕННЫХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
1. Температурные условия службы отливок
Рассмотренные выше особенности механических свойств отливок
относились к их состоянию при комнатной температуре (15—20°),
условно принимаемой за нормальную. Условность понятия нормальных
температур подчеркивается потому, что для некоторых марок стали
даже комнатная температура должна рассматриваться, как повышен
ная. Например, при понижении температуры от 4-15° до нуля удар
ная вязкость литой углеродистой стали понизилась по данным некого
рых исследований с 4.9 до 4,1 кгм/см2, т. е. на 20'<
Вместе с тем значительная часть отливок работает при темпера-
турах ниже нуля, что имеет особое значение для СССР (паровозы,
вагоны, детали судов, артснстем, снаряды и т. п.), либо много выше
комнатной температуры (паропроводы, турбины, крекинг-установки,
газогенераторы, печи и т. и.).
Принимая понятие о комнатной температуре, как о нормальной,
следует считать- низкими температура хги — ниже 4- 20° С, вплоть до
самых низких, достигаемых современной техникой в различных про-
506
Свойства стальных отливал и влияние на мнх -состава стали
мышленных холодильных установках (до минус 190э): повышенными
температурами — от 4-20 до 6Б0 ; высокими температурами — выше
- 6.50° вплоть до температуры плавления.
Значение температуры в 650° принимается потому, что у большин-
ства марок стали выше этой температуры уже начинаются фазовые
превращения н усиливаются процессы коррозии, резко меняющие соот-
ветствующие механические свойства.
В условиях работы прн высоких температурах стедует отличать
понятие о жаростойкости и жаропрочности
Жаропрочностью называется способность стали не изменять
механические свойства прн высоких температурах.
Жаростойкостью называется способность стали сопротив
литься против окалинообразования.
При высоких температурах отливки подвергаются обычно
небольшим нагрузкам и работа их определяется главным образом жа-
ростойкостью При повышенных же температурах отливки под-
вергаются сравнительно большим нагрузкам (в современных ситовых
установках давлению пари до 120 ат при I- 500 - 540°). Длительность
работы отливок в этих условиях будет определяться преимущественно
жаропрочностью.
2. Влияние температуры и времени на механические свойства
отливок
Сталь понижает свои механические свойства, особенно ударную
вязкость и пластичность, при низких температурах При повышении
температуры особенно резко понижается сопротивление пла-
Рнс. 342. Изменение пределов
текучести н прочности стали
при повышенных температурах.
1, I - лнтаЯ услеродястоП
—" < п O.S»/» Су, > — пятой кикт-
жсво* к»
стическнм деформациям, но
зато увеличивается пластичность. В -об-
ласти повышенных температур имеется
критический интервал «синеломко-
сти» (200—300°), в которой наблюдает-
ся известное повышение показателей
Л »» аь при одновременном пеииженнн s
И ф|, рщ 342.
Некоторые легированные стали (на
пример, никелем, см. рис. 342), имеющие
при нормальных температурах более вы-
сокое сопротивление пластическим де-
формациям, чем углеродистая сталь, ври
повышенных температурах (около 5003)
обладают почти одинаковыми с ней 3
и
Это означает, что строение металла,
определяющее его свойства при нор-
мальной температуре, не всегда влияет
точно таким образом н при повышенных
температурах
Понижение сопротивления пластиче-
ским деформациям при повышенных тем-
пературах объясняется облегчением воз-
можностей образовании плоскостей скольжения вследствие увеличения
амплитуды колебаний атомов. Разупрочнение, происходящее в металле
вследствие рекристаллизации илц «возврат» при повышенных темпера-
Механические свойства стальных отливок
турах окалывается более интенсивным, чем упрочнение, происходящее
вследствие пластической деформации.
Можно предположить, что это понижение сопротивления должно
получить относительно особенно резкое развитие в первую очередь
по границам кристаллитов как наиболее напряженным
участкам с различно ориентированными искаженными кристалличе-
скими решетками. Действительно, излом стали при высоких темпера
турах обычно идет по границам зерен, т. е. является межкристал-
литным Прн нормальных же температурах, как указывалось, излом
обычно идет по зернам, за исключением тех случаев, когда при нали-
чии дефектов по границам крупных зерен получается также ракови-
стый, межкристаллитный излом.
Таким образом, в противоположность условиям при
нормальных температурах, межкристаллическая
прочность при высоких температурах оказывается
меньшей, чем виутрикристаллическая.
При невысоких температурах внутрикристаллическая прочность
больше межкристаллической н, следовательно, она определяет
прочность металла и излом его по зернам (нижняя зиння
рнс 343).
Однако прн высокой температуре, вследствие более резкого пони-
жения меж кристаллической прочности, уже она определяет п р о ч-
кость металла и излом его по зернам.
При некоторой температуре, определяемой точкой Л. внутрн-
н межкрпсталлпческая прочность равны. Излом идет по зернам
и по границам их. Эту точку равной (эквивалентной) связи часто
называют эквикоэзионной точкой, а соответствующую темпе-
ратуру— эквикоэзионной температурой.
Точка равной связи (эквикоэзионная точка) характеризует возмож-
ность максимального использовании свойств металла в области повы-
шенных или высоких температур. Чем выше она расположена, тем
больше абсолютное значение сопротивления пластической деформации.
Чем дальше она лежит вправо, тем выше температура равной связи
(эквнкоэзионная температура).
Более высокое расположение точки равной свя-
зи может быть достигнуто только за счет повыше
ния внутрикристалл'ической прочности (легирование
металла элементами, дающими твердые растворы, умельчение размера
зерна и т. д.) '. Следовательно, достигаемое повышение прочности
имеет значение только для сравнительно низких температур.
Передвижение точки равной связи вправо имеет значение для
повышения сопротиаления уже при высоких температурах. Оно
достигается за счет повышения меж кристалличе-
ской прочности, (легирование металла элементами, дающими
дисперсные фазы, выделяющиеся по границам зерен, увеличение
размеров зерна и т. д.).
На основе этих соображений можно объяснить результаты исследования,
приведенные на рис. 342. По ним никелевая стать, имеющая большее сопротивление
пластическим деформациям, чем углеродистая сталь при нормальных температурах,
обладает одинаковой с иен прочностью при повышенных температурах.
Никель я стали находится и твердом растворе a-железа, образуя никелевый
феррит. Искажая решетку а-же теза, никель повышает поэтому точку равной связи
путем повышения жутрикристаллическон прочности. Но прн повышенных темпера-
турах, нихель кек элемент, ие образующий карбидов и яе выпадающий в виде оп-
ределенных соединений ло границей верен, не может их -упрочнить. Наоборот, ни-
кель. умельчая строение вторичной крцегаллиэдции, даже увеличивает етротяжен-
I При одинаковой скорости пластической деформации, так как с «*е увеличе-
нием, при прочих равных устовних. чквиклэзионная температура ппвыпгяетеи
508 Свойства сгалоньис отливок, и влияние на ник состава стали
кость, прений зерен Таким образом, пикет., повышая точку равное смя, не пере-
лпкгжет ее вправо и поэтому пе может служить элементом, повышающим механиче-
ские свойства металла при высо-
тмпврсгрура
Рис, 343. Схема изменения прочности ме
талла в зависимости ст температуры и от
соответствующих изменений внутри- и меж-
кристаттнчеекон прочности
ких температурах.
Однако, если произвести ле-
гирование никелем до такой вы-
сокой концентрации его, чтобы
получилось чисто аустевит-
н о е строение металла даже при
нормальной температуре (напри-
мер, аустенитная жаростойкая
хромоникелевая сталь с 25% Сг
Я 20% Ni), то меняется уже
природа металла. Меняется, сле-
довательно, соотношение междт
внутри- и межкрнсталлическон
прочностью, т. е. положение со-
ответствующих линий рис 343,
Точка равной связи передвигает-
ся одновременно вверх и впра-
во, т. е. аустенитная хромонике-
левая сталь является уже жаро-
прочным материалом
Решающее значение в этом
свойстве имеет аустенитное стро-
ение стали, дающее, хак тгравн
ло. более высокие механические
свойства при высоких температу-
рах. чем ферритное строение
|58] рнс. 344.
При этом безразлично, за
счет какого легирующего элемен-
та (никеля, марганца идя др.,
образовался аустенит, так хак на жаропрочность
кие металла. Нужно только отые- “
тнть, что свойства жаропрочности
поневоле должны быть связаны с
жаростойкостью. Не может получить
практического применения
высокими
но с
костью при высоких температурах.
Коатому состав жаростойкой стали
устанавливается часто на основе
влияния элементов, определяющих § W
только жаростойкость, либо высокую ё
жаропрочность в сочетании с жаро- *< S
стойкостью. Например, в аустенит-
ной жаростойкой хромоникелевой
стали рис. 344 (25% Сг и 20% Ni)
хром обеспечивает жаростойкость, а
влияет природно аустенитное строе-
Тсяперапура.
никель, путем создании аустенитной
структуры, — жаропрочность.
Резкое снижение сопротивле-
ния пластической деформации в
точке равной связи должно быть
Рис. 344. Механические свойства при высо-
ких температурах отлвэок яз ферритной, хро-
мистой (кривая Г) и иустеиитяой хромонике-
левой стали (кривая II)
неизбежно связано с явлением ре-
кристаллизации. Следовательно, температура равной связи должна соответствовать
температуре рекристаллизации.
Так например, температура рекристаллизации дли обычной углеродистой стали
в фасонных отливках определена около 400°; для большинства марок легированной
конструкционной стали в интервале 400—500° и для нысоколегороваиная жаростой
кой стати выше 600°
В обычных условиях службы отливок деталей турбин, паропрово-
дов и т. д. при воздействии температур и времени получаются
пластические деформации даже в том случае, если
действующее напряжение значительно ниже пре-
чела текучести Под влиянием этой ползучести металла пласти-
Механические свойства стальных отливок
509
'ава стали
«авноВ свои, не пере
1авыш£к>щкм механне-
,’ва металла при кыео-
Р. если произвести ле-
никелем до такай ны
ентрации его, чтобы
чисто ауствинт-
1ие Металла даже прн
температуре (uanpoi-
иитива жаростойкая
гвая сталь с 2а % Сг
, то меняется уже
тал та. Меняется, сле-
соотногпение межд\
межкрясталлической
Г| т. е. положение со-
1HJC линий рнс. 313,
ря связи передвигает
реш» вверх и внра-
геннтная хроыонике-
нвлясгся уже жаро-
1териалом.
Инее значение в этом
геет аустенитное стро-
I дающее, как правя -
высокие механические
и высоких теиперату-
феррнтнос стрпенне
том безразлично. зп
легирующего элемен-
маргинца или др.|
цво аустенитное строе
свойства при высо-
те из ферритной, хро-
геннтной хроыонике-
мтвая 11}
мжна соответствовать
** углеродистой стали
а марок легированной
тированной жзростон
(Урбин, паропрово-
п о лу чаются
случае, если
йо ниже пре-
н металла власти-
ческие деформации могут достигнуть таких больших размеров,
*что отливка недопустимо деформируется и даже разрушается.
Поэтому для оценки действительной прочности отливки в усло-
виях длительной работы прн повышенных температурах необходимо
Темпе, стура, °C
Рнс 345. Кривые ползучести (получения I %
удлинен ня) углеродистой литой стали (030% С
в зависимости ст температуры, нагрузки и дли-
тельности ее приложения, Сргвненне с показа-
телями прн кратковременном испытания
ДОЮГ, VtTCb'
Рис. 346. Кривые потвучестн литой нинелехромистой (0,48% С.
i,24% NI я 0,80% Сг) *t марганцовистой (0,35% С, 1.42% Мп) стали
при температуре 455° С f напряжениях от 14 до 35 кг/жл=
учитывать не предел текучести, определяемый кратковременным испы-
танием при данной температуре, а предел ползучести металла.
При длительном приложении нагрузки, вплоть до 100 000 час.а
можно допустить в литой углеродистой стали только очень 1П»экяе
зЮ Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
напряжения, чтобы вызвать 1% удлинения за этот промежуток вре-
мени (при оОО', например, всего z кг/мм2), рис. 345 [34]
Ползучесть зависит по существу от длительности работы изде
лия, действующих температур и нагрузки. Результаты исследований
на ползучесть литой никелехромистои и марганцовистой стали для
температуры 455‘> я времени в 1000 час. представлены на рис. 346.
3. Механические свойства стальных отливок
при повышенных температурах
Основной характеристикой механических свойств отливок при по-
вышенных температурах является их сопротивление ползуче-
сти. Остальные показатели механических свойств, определяемые
обычными методами, хотя бы и при повышенных температурах, имею!
подчиненное значение. Определение сопротивления ползучести, произ
водимое какими-либо кратковременными методами (менее 1000 час.)
не может дать достаточно надежных для длительной службы изделии
результатов
Наиболее правильным показателем сопротивления ползучести сле-
дует считать то максимальное напряжение, какое возможно допустить,
чтобы развивающаяся деформация не превышала определенной устано-
вившейся величины при данной температуре.
Эти предельные деформации определяются, для стальных отли-
вок арматуры высокого давления 0,3% удлинения за 100000 час.
(II лет); для отливок цилиндров турбин —0,1% удлинения за
100 000 час. (МТ® %/час_).
Можно также принять, что явления ползучести особенно ин1ен-
снвно развиваются при рабочей температуре отливки выше 350—400 .
Длительные испытания на ползучесть, не менее 1000 час, а по
современным данным даже до 20 000 час. требуются для того, чтобы
достигнуть процесса ползучести с установившейся скоростью. Кроме
того, в стали, при длительной работе в области повышенных темпера-
тур, хотя бы н значительно ниже точки А <, , происходит известили
сфероидизация и графитизация карбидов.
Сопротивление ползучести зависит не только от содержания угле
рода, но и от формы карбидов. Прн одном и том же содержании угле
рода сфероидизованиые карбиды, облегчая образование плоскостей
скольжения, заметно понижают сопротивление ползучести по сравне-
нию с карбидами пластинчатой формы Следовательно, сопротивление
ползучести может увеличиваться с повышением содержания углерод.1
только в том случае, сети имеются пластинчатые перлит или карбиды
Сорбитная структура, иаилучшая для конструкци-
онного материаи в условиях статической нагруз-
ки или нормальной температуры, оказывается вред-
ной для службы при повышенных температурах.
Кроме того, надо учитывать, что после длительного срока службы
изделия может произойти сфероидизация и даже графитизация пла-
стинчатых карбидов. Сопротивление ползучести все равно резко сни-
зится. В последнее время обнаружены изломы изделий из стали
с (1,1—0,2% С вследствие графитизации посте длительной службы при
500°. Поэтому необходимо иметь достаточно устойчивую структч
ру, причем термическую обработку подобных отливок провести таким
образом, чтобы последняя фаза — отпуск, был при температуре при
мерно на 100° выше рабочей температуры отливки.
Размер зерна стали оказывает огромное и все еще недостаточно
оцениваемое влияние на сопротивление ползучести, особенно в фасон-
ном литье. В устовиих работы при невысоких температурах, зпачя-
Механические свойства стальных отливок
511
тельно ниже точни равных сил А (см. рис. 343), зерно может быть
мелким. При работе же при более высоких температурах следует доби-
ваться крупного размера зерна, несмотря на то, что при этом, казалось
бы, понизятся статические и динамические механические свойства при
нормальных температурах.
Из рис. 343 видно, что при повышенных температурах вблизи
точки равной связи, на прочность металла, как конгломерата зерен
с определенной внутри- и межкристаллитной прочностью начинает ока-
зывать решающее влияние только межкристаллитная прочность. Уве-
личение размера зерна уменьшает относительное влияние межкристал-
литной прочности, падающей при этих температурах интенсив нее. проч-
ности самого зерна. Поэтому прочность крупнозернистой
стали При высоких температурах будет более высо-
кой, чем мелкозернистой В этом заключается, между прочим
объяснение известного в практике факта, что сопротивление ползуче
гтп у литого металла обычно выше, чем у кованого.
Влияние крупного и игольчатого зерна на повышение сопротивле
нии ползучести иногда более значительно, чем спсцна шное легнрова
ине стали.
Сильное влияние размера и формы зерна видно из исследования сопротивления
ползучести у молибденовой стали (0,26% С и 0,50% Мо) при а10г под нагрузкой
8,45 кг!мм!' Выбравная температура является почти предельной в современных паро-
вых установках так как при ее превышении резко’падает еотфотийгение поизучает*
Г—i 1 I I I I
Температура - 5 Ш *С
Нагрузка -8,Ч5ке/мма
Рис 14Т. Кривые ползучести литой молибденовой стали
(«.26% С и 0,50% Мо) при +510? под нагрузкой
8,45 ке/лл» в зависимости от размера и формы зерна
0
Время, стена часов
и нет еще достаточно надежного и экономически выгодного металла для соответ-
ствующих отливок. Длительность испытания, т. е. пребывания образцов под нагруз
<0Й. достигла 2000 час (80 суток). Такая длительность гарвятжрует яяд«нн**п, полу-
ченных результатов.
Исследолавиая сталь имела не только крупное и меикое зерво (№ 4—5
н В—10). но также пластинчатое, игольчатое п гранулярное, сфероидизированное
строение. Кривые ползучести представлены на рис. 347.
512
Свойства стальных отливок и влияние ни них состава стали
Скорость ползучести, в периоде между 500 и 2000 час., в пересчете ва уяяяке-
пне в Процентах за 100 000 час- оказалась-
В стали с крупным шшьчатим строением ]
• * • мелким игольчатым..................................... 3,5
• крупным округленным перлитом - 7,5
• • • мелким округленным перлитом - 48,0
Возможность повышения сопротивления ползучести в металле фасонноВ отливки
е 48 раз за счет только крупного игольчатого строения ее является огромным дости-
жением.
Исследование попутно показало, что пластинчатое строение оказывает более
интенсивное влияние^ чем укрупнение размера зерна.
Для повышения сопротивления ползучести отливок, работающих
при температурах вблизи точки равной связи, легирование
стали нужно вести элементами, дающими карбиды,
укрепляющие границы зерен и с трудом сфероидизи-
рующиеся. В этом отношении наиболее эффективно влияние мо-
либдена, что и определяет преимущественное применение молибде
новой стали дли отливок, работающих при 'повышенных, температурах.
Но влияние ползучести настолько велико, что даже для молибде-
новой стали нсльзи ютстить прн этих температурах значительных
нагрузок.
4. Механические свойства стальных отливок при высоких температурах
Элементы, как хром, кремний и алюминий, окисляющиеся легче,
чем железо, л дающие достаточно плотную, газонепроницаемую плен
ку окислов, крепко приставшую к поверхности отлнвки, — благотворно
влияют на ее жаростойкость.
Очнако, как видно из рнс. 344 и рассмотренного влияния темпе-
ратуры ла прочность металла, эти элементы, образуя твердые раство-
ры ферритного строения, «е смогут сильно повысить механиче-
ские свойства отливки при высоких температурах. Никель или мар-
ганец, способствующие образованию аустенитного строения, будут
влиять более эффективно.
Отмечалось, что это аустенитное строение должно быть при всех
температурах. В стали не должно быть фазовых превращений, идущих
с изменением объема и, следовательно, разрушающих предохранитель-
ную пленку окислов, которая покрыла плотным счосм поверхности
жаростойкой отлнвки.
Наиболее распространенные жаропрочные с высокими механиче-
скими свойствами хромоникелевые стали могут иметь некоторое содер-
жание кремния илн алюминия, но обладают аустенитным строе-
нием с равномерным коэфициентом линейного расширения прн всех
температурах, вплоть до 1100—1200л [143].
Большинство хромоникелевых жаропрочных сталей (левый нижний
угол диаграммы) допускают при 870° нагрузку только в 0,7—1,4кг/лж2,
чтобы получаемая деформация не превысила 0,1е/» удлинения за
1000 час. (рнс. 348) Большинство же нихромов (специальные сплавы
никеля и хрома с сравнительно небольшим содержанием железа)
допускают около 2,1 кг мм2 (правая часть диаграммы), т е также
очень небольшую нагрузку
5 Механические свойства стальных отливок при низких температурах
Сопротивление пластическим деформациям повышается при пони
женин температуры. Повышение предела текучести может быть на-
Механические Свойства стальных дгливок
513
столько интенсивным, что его значения приблизятся к пределу проч-
ности. Металл, следовательно, становится хрупким. В отливках, имею-
щих однородное -строение твердого раствора, это повышение =с про-
Рне 348. Пределы ползучести (максимальное напря-
жение « хг/лш7. определяющее 0,1% удлинения за
1000 час.) пре 870ч С у лтж никелехромовых спла-
вов в заенишостп ог ых состава
исходит менее интенсивно, вследствие чего они сохраняют известную
пластичность при низких температурах.
Никель, например, находящийся в твердом растворе в феррите
и, вследствие этого, не могущий повысить механические свойства прн
повышенных температурах, будет благотворно влиять при низких тем-
пературах. При такой концентрации никеля (или других элементов),
которая обеспечит строение аустенита, это благотворное влияние будет
еще заметнее.
Подобно существованию в области высоких температур критиче-
ской, эквикоэзионной температуры, выше которой резко падает сопро-
тивление пластическим деформациям, — в области низких тем-
ператур существует критическая температура, ниже которой, резко
падает ударная вязкость металла.
Проба на ударную вязкость является основной характеристикой
механических свойств отливок при низких температурах. Этот показа-
тель характеразует, при достижении определенной критической низкой
температуры, переход металла, по определению Н. Н Давиденкова,
кз ударно-вязкого в ударно-хрупкое состояние.
Очевидно, что па критическую температуру перехода в ударно-
хрупкое состояние так же, как и на абсолютные показатели а „ при
низкой температуре, огромное н решающее влияние будут оказывать
надрезы и размер зерна стали. Даже такая тонкая разница в надрезе,
как округленная или остроугольная форма неметаллических включе-
ний, способна, при прочих равных условиях, резко изменять а*. На-
пример, по специально проведенным исследованиям процессов влавки,
углеродистая сталь (0,15% С), раскисленная силикомарганцем с по-
следующей добавкой алюминия для умельчения зерна дала при — 50° С
(критическая температура) а* в девять раз большую, чем сталь, рас
кисленная только ферросилицием (прй СР было Только в два раза
больше) [34].
Влияние различной формы надрезов на пластическую деформацию
литой углеродистой стали в сыром и отожженном состоянии прн тем-
пературе —50° по сравнению с +20° и +300° (хрупкая зона синелом-
кости)—см. рис. 349. Влияние острых надрезов катастрофически на,
губно для пластичности вообще, а при низких температурах й осо-
бенности.
33 Вак. 7». Ю- А. Нехевдаи
514
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Большой интерес представляют механические свойства отлнаокпри
температурах до —40—60° (морозы в северной и восточной части
СССР и рефрижераторные установки) и до —100—120 и даже. —190°
Удлинение, Л
Рис. 349. Влияине формы надрезов и температур области
хрупкого состояния (—50 и +300° С) на пластичность литой
сырой (U) и отожженной (Gy углеродистой стали
(0.19 и 0.33% С)
Л
Рис. 350. Ударная вязкость Рис. 351. Статические ыехваяче-
м по Менаже обычной угле- ские свойства литой углеродн-
родистой стали фасонных стой стали (0,30% С) при низких
отлижэк при низких темпе- темнвркттрях
ратурах
при высоких давлениях (условия службы отливок в некоторых специ-
альных областях вромышленности).
Характерно падение а* у литой углеродистой стали при пони-
жении температуры не только от нуля до —ВО®, но и от +20* до 0°
(рве. 350) [144).
Уже при —50° хрупкость отливок из углеродистой стали чреэвы
ввйно .велика (а * ~ 1 кгм см2, как у чугуна)
В этих условиях ннзкоуглеродистая никелевая сталь (0,20 % С
к~2,0% Ni), имеющая более мелкое и более прочное зерно никеле-
Фмвоисмм cjwwetc атмиок
515
вого феррита, дает и более высокое а„—до 10—12 кгм,см2 при
—37° против 16—17 кгм^см2 при +20°.
Следует принять, что ниже —75° или максимум, —100° легиро-
ванные никелевые и подобные ей стели имеют неудовлетворительные
показатели ударной вязкости. Только высоколегированные аустенит-
ные стали или ферритные с очень низким углеродом, могут найти при-
менение для отливок, работающих при таких низких температурах.
Изменение при низких температурах обычных показателей стати-
ческих механических свойств у литой углеродистой стали в отожжен-
ном состоянии представлено на рис. 351.
11. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ
•J"- СВОЙСТВА СТАЛИНЫХ ОТЛИВОК
Применение стальных отливок для различных областей промышлен-
ности обусловливает многогранность. требований к ним специальных
физических и химических свойств. Качество отливок должно удовлетво-
рять этим требованиям часто независимо от требований к механическим
свойствам.' Свойства поверхности отливки (твердость, обрабатывае-
мость 1, сопротивляемость износу и коррозии), а также всего ее объема
по специальным термофизическим и электромагнитным качествам
(теплопроводность, электрической сопротивление, магнитность и т. п.)
являются иногда решающими.
А. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ
отливок
Несмотря на всю важность вопросов влияния свойств поверхности
отливок, имеющих ряд особенностей на сравнению со свойствами внут-
ренних зон, они изучены еще сравнительно мало. Имеется много раз-
личных методов определения свойств поверхности, известны многочис-
ленные их характеристики, но четкой зависимости поверхностных явле-
ний и свойств от состава и строения отливок еще не установлено.
1. Твердость стальных отливок
Определение твердости стальных отЛивок широко применяется
в различных исследованиях их качества. Определение твердости про-
изводят систематически только в условиях массового производства,
в особенности при сложной термической обработке, для контроля пра-
вильности закалки и отпуск* и предупреждения отправки на механиче-
скую обработку чрезмерно твердых или имеющих неравномерную
твердость отливок. Оно имеет также значение как приближенный метод
определения предела прочности металла отливок во всех тех случаях,
когда по -каким-либо причинам нельзя воспользоваться образцами для
испытания растяжением.
Твердость, так же как и пластичность, ие является свойством
металла, имеющим абсолютную характеристику. Но все же показатели
твердости при всех методах ее определения зависят от сопротивления
металла пластическим деформациям и, следовательно, в известной мере
связаны с его строением.
Чем больше дисперсность (сорбит) и напряженность (мартенсит)
структурных элементов строения стали, тем больше сопротивление
пластическим деформациям- и выше твердость. Повышение содержавши
углерода или легирующих элементов, повышая при прочих равных
I Твердость к обрабатываемость здесь ублозио отнесены к свойствам поверх-
ности. В особенности твердость может быть рунесена к механическим свойствам,
зз» •
516
Свойства стальных отливок и вливши ш них «стал» стали
условиях дисперсность строения и искажая кристаллические риветяи,
ведет к повышению твердости.
Чем больше разнила атомных объемов данного элемента и железа,
там больше искажение решетки и интенсивнее влияние соответствую-
щего элемента яа повышение твердости (например, марганца по срав-
нению с хромом). При наличии же углерода и влияния карбидов
этих элементов путем непосредственного блокированы плоскостей
Рис 352 Максима львах твердость углеродистой и летро-
венной стяга в зависимости от содержании углерода
(по разным всследовенивм)
скольжения — эффективность влияния значительно повышается. Однако
максимальная твердость на поверхности, полученная после закалки^
не увеличивается при достижении известного предельного содержания
углерода (около 0,5%) (рис. 352),
Необходимо также отметить, что влияние углерода ла повышение
максимальной твердости одинаково интенсивно кек в углероддстой,
так и в различных марках низколегированной стали (см. рис. 352).
Максимальная твердость на поверхности достигает показателя около
65 Rc (Роквелл, шкала С), что соответствует примерно 700 Дд(Бри
нель), т. е. предельной твердости мартенсита.
В табл. 54 приводятся практические данные о твердости по Бри-
нелю литой стали различного строения после различных видов терми-
ческой обработки.
Из многочисленных попыток найти связь между показателями
Нв » а/, следует принять только те, которые относятся к стали оди-
накового происхождения и строения. Сравнение твердости аустенит-
ной и перчитной стали, например, показывает, что при одинаковых Н в
они обладают совершенно различными =е.
Для литой углеродистой стали в отожженном иля нормализован-
ном состоянии можно принять на основе ряда многочисленных работ
................. • »МФ«
0,34 - Нв при Яд<-175,
а* =0,36 Нв при Дд> 175.
Физические свойства стллвных отливок
517
Таблица Ы
Средние значения твердости по Бряиелю стальных отливок
различного строения
Твердость Твердость
Сталь по Бривелк Нв. кг 1мм' Сталь по Брннелп Нд, кг!мм1
Низкоуглеродистая (отожженная) , . 90-140 Низколегированная (улучшенная) 140—350
Средиеу гл еродистм (отожженная) . . . 130-220 Низколегированная (закаленная) 500-600
Среднеуглеродистая (улучшенная) .... 220-325 Высоколегированная: ферритная 200 -220
Высокоу глеролистая
(отожженная) 156-250 аустевнтпая 180-200
Высокоу глеро ди стая
(закаленная) ... 500 мартенситма я 600—700
Для отливок из марганцовистой стали (Мп<^|,5Й) в нормализо-
ванном состоянии недавно установлена на основе статистического
метода исследования в заводских условиях зависимость [164].
О «=0,12 Нв+ 18,9 кг/мм*,
о*=0,23 Нв 4- 20,-1 »
R
2. Обрабатываемость стальных отливок
Обрабатываемость отливок имеет не только экономическое, но
и технологическое значение Чистота обработки оказывает большое
влияние иа повышение предела усталости отливок.
Стальные отливки подвергаются всем видам механической обра-
ботки, и обрабатываемость отливок в условиях массового производ-
ства может определять выбор состава стали и метода термической
обработки ее. В различных условиях производства критерии обрабаты-
ваемости стали равличны. Они определяются стойкостью резца, коли-
чеством потребляемой энергий, чистотой получаемой поверхности,
допустимыми скоростями резания или другими факторами.
И. М. Беспрозванный [145], анализируя кинетику процесса резания,
установил, что из-за концентрации напряжений даже пластичный ме-
талл под резцом упрочняется, наклепывается и переходит в хрупкое
состояние. Б результате этого перед кончиком резца в небольшом слое
метилла может образоваться тррщика из-за хрупкого излома. Получа-
ющаяся хрупкая, крошащаяся стружка дает лучшие показатели обра-
батываемости, чем пластичная, ступенчатая, сливная стружка.
На получение того вл и иного вида стружки оказывает влияние
форма резца и режим резания Рассматривая же только влияние метал-
ла, нужно отметить, что оно определяется прочностью и пластичностью
стали, ее структурой, размером вераа и в известной степени твер-
достью.
Наиболее распространенной характеристикой обрабатываемое™
стальных отливок является определение скорости резания, связываемое
а соответствующей стойкостью резца за известный промежуток вре-
мени (например, цв 60 мин. Veo и т. п.).
Характеристики обрабатываемое™ стальных отлйвок в зависи-
мости от предела прочности и твердости представлены на рис. 353
к 354-
Физические свойства стальных отливок
519
При прочих равных условиях, с повышением оь и Нр обрабаты-
ваемость ухудшается Отливки с твердостью выше 270 #в обрабаты-
ваются с большим трудом, требуя сверхтвердых сплавов •
Не следует, однако, считать, что стальные отливки с очень низкой
твердостью обладают наилгчшей обрабатываемостью. Наоборот, очень
вязкая сталь вызывает прилипание длинной вьющейся стружки к резцу
и наклепывается, т. е. повышает свою твердость, ухудшая этим обра-
батываемость. Специальные исследования стальных отливок с We =
109 и 131 показали, что для удаления 1 см* мягкой стали потребля-
лась энергия в 432, а более крепкой в 375 1st.
Это вредное влияние чрезмерной пластичности особо проявляется
в аустенитной стали. Известно, что отливки из аустенитной высокомар-
ганцовой стали Гадфильда вовсе не могут обрабатываться инструмен-
тами из обычной быстрорежущей стали. Из-за легкого образования
плоскостей скольжения в пластичном аустените при нагрузке металл
быстро упрочняется, наклепывается. Начальная твердость аустенита,
сравнительно небольшая для высоколегированной стали, около Нв =
= 180, быстро повышается до Нв =400—500 (вторичная твердость).
Поэтому в очень мягкой стали, с преобладающим количеством
феррита и низкой твердостью для получения более хрупкой стружки
иногда искусственно повышают содержание фосфора и серы, ухудша-
ющих пластичность стали. Улучшение обрабатываемости привело
к созданию специальной, так Называемой P-S-стали («автоматной*
стали с содержанием до 0,15% Р и S порознь для изделий, обраба-
тываемых на станках-автоматах). Очевидно, введением фосфора
и серы, так же как н легирование стали свинцом, возможно только
для изделий, мало ответственных, но подвергаемых большой механиче-
ской обработке
Для стальных отливок подобная сталь применяется редко: ОдИако
даже те повышенные содержания фосфора и серы, которые имеются
обычно в стали малого бессемерования, уже влияют положительно на
обрабатываемость. В аустенитные нержавеющие стали для улучшения
обрабатываемости вводят также повышенное 'содержание серы или
селена (до 0,3%), что опустимо только для отливок самой простой
конфигурации.
Из изложенного понятно, почему в практике часто проводят для
улучшения обрабатываемости термическую обработку отливок из
стали с высоким содержанием углерода на получение сфероидизирован-
ных карбидов (высокий отпуск — сфероидизация). Отливки же из ста-
ли с низким содержанием углерода термически обрабатывают на пла-
гинчатый перлит.
Так как повышение углерода увеличивает твердость стали, -то.
очевидно, имеется такое его критическое содержание, при котором
получение сорбитного строения окажется уже более выгодным, чем
мелкого пластинчатого перлита.
Установление этого содержания углерода, так же как н метода
термической обработки для улучшения механической обрабатываемости,
зависит прежде всего от требуемых механических свойств и много-
образных местных условий производства. В обычных практических
условиях нанлучшей обрабатываемостью обладает отожженная угле-
родистая сталь со средним’ содержанием углерода' 0,25—0,35%. Пря
более низком содержании углерода (С <0,20%) получается уже не-
сколько худшая поверхность из-за более вязкой стружки. При более
высоком содержании углерода (0,40—0,50%) несколько понижается
стойкость резце, но получается очень гладка? поверхность отливки.
810
Свойства стальных отливок и влияние -наосах нЛктава стали
Большое влияние на обрабатываемость оказывают равномерность
структуры, чистота металла в отношения твердых, выкрашивающихся
неметаллических включений, Стойкость резца, испытывающего удары
н абразивный износ при попадании на такие включении резко пони-
жается. Обрабатываемость, следовательно, ухудшается, хотя твер-
дость отливки мо^ет быть в этом случае невелика.
Такие неметаллические включения, как графит, играющие при тре-
нии о резец роль смазки, а не абразивов, значительно улучшают обра-
батываемость. Небольшая сравнительно твердость, хрупкая стружка,
благотворное влияние графитных включений обусловливают, как
и в чугуне, высокую обрабатываемость графитизированной стали. Зто
является одним из существенных преимуществ, учитываемых при выбо-
ре ее для соответствующих отливок .
Ьредное абразивное влияние включений особенно резко сказы-
вается при обработке литейной корки. Поэтому при обработке отппмж
резец в первых проходах должен врезаться в металл на глубину, боль
шую толщины литейной корки. Для этого обработка литейной корки
(обдирку отливок) часто ведут резцами из сверхтвердых сплавов, в то
время как чистовую обработку уже обычной быстрорежущей статью
В табЛ 55 приведены, по данным автора, исследования скорости реза-
ния чистого металла и покрытого литейной коркой. Усматривается так-
же влияние вязной аустенитной стали и сравнительная обрабатывае-
мость по сравнению с чугуном.
Для повышения обрабатываемости отливок необходимо получение
Тонкой литейной корки, Т. е обеспечение минимального пригара фор-
мовочных смесей.
Таблнпв 55
Влияние литейной корки аустенитного строения стали на обрабатываемость
отливом м врааиеяве с обрабатываемостью чугунных отливов (вадижй угол
резца 3°, режущий угол 82—8£°)
м Мжтериая '—F—- -— ^Поверхность Инструмент
2 3 4 5 6 7 Нержавеющая аустенит- ная сталь (18% C[m8%Ni) То же (1В0/о Сг и 8%N1 Нержавеющая феррнто- карбидная стаи (1,15% С и 33% Сг) То жс(М5%СнЗЗо/оСг) То же (1,15% С к 33»/* Сг] То же (1,15% С и ЗЭ*/0 Сг; Серый чугун Литейная корка Чистый металл Литейная корка Чистый металл То же Литейная корки Сверхтвердый сплав Видна То же Быстрорежущая сталь Сверхтвердый сплав
0,30
0,60
0,60
0,60
0,30
0,30
0,60
3,0
, п 3. Износоупорносхь стальных отливок
Материальные потере ат взноса чрезвычайно велики Износоупор-
ность является важнейшим свойством поверхности отливки, определя-
РШИ условия ее службу неза₽ври|4О рт цехрнцческнх илн иных
vea стали
.Фняйисие слобвпа стальных отливах
521
йот равномерность
рыкрашиважииися
|Тывающего удары
енин резко понн-
ется, хотя твер-
[грающие при тре-
о улучшают обра-
рупкая стружка,
[словливают, как
ЕВДОй стали. Это
емых при выбо-
> резко сказы-
Лработке отливок
на глубину, боль-
L литейной корки
цых сплавов, в то
гежущей сталью,
ия скорости реза-
Ьматривается так-
ай обрабатывве-
одимо получение
го пригара фор-
Табляцв 65
обрабатываемость
(задний угол
свойств. Отливки валков, шестерен, катков, колес, цилиндров, стрелок,
шаров и т. п. работают на взнос как в ' условиях треиия по металлу,
гак и по различным неметаллическим материалам. При этом может
быть треиие I рода при чистом скольжении и II рода при качении,
сопровождающемся часто ударами (например, о стыки рельсов, острие
стрелок и т. п-). Кроме того, это трение может происходить при смаа^
KQ или всухую.
Износоупорность, так же как обрабатываемость, и ряд других
свойств отливок, не является определенным свойством, имеющим абсо-
лютную характеристику. Износоупорность зависит от свойств металла,
но часто определяется состоянием: поверхности отливки и условиями
износа.
Сопротивление износу зависит от условий смешения и удаления
частиц металла с поверхности изделия. Ойо имеет поэтому обратную
зависимость по отношению к условиям, определяющим обрабатывае-
мость ОТЛИВОК.
Разрушение металла или изменение размеров отливки при износе
может происходить путем хрупкого скольжения и отрыва частиц, их
окисления или смятия поверхностного слоя. Эти разрушения могут про-
исходить при сравнительно иеб-ольших нагрузках, так как иа
трущихся поверхностях всегда имеются участки с местной концентра-
цией напряжений. Всякая поверхность отливки, даже после самой
чистой обработки, представляет собой чередование выступов и углуб-
чений. При соприкосновении трущихся поверхностей истинные напря-
жения будут зависеть от истинной поверхности соприкосновения. Как
показал Д. В. Конвисаров [146], эти истинные напряжения будут обра-
зовывать тем большие пики, отклоняющиеся от среднего напряжения,
чем более шероховаты соприкасающиеся поверхности..
В очень пластичном металле, например, в аустенитной стали Гад-
фильда, под влиянием ударных нагрузок и высокжх удельных давлений
происходит образование у Поверхности многочисленных плоскостей
скольжения и, следовательно, упрочнение, повышение вторичной
твердости, рие. 355.
В результате сопротивление износу всякой аустенитной стали, осо-
бенно марганцовой Гадфильда, резко возрастает. Поэтому для тяжелых
условий ударного износа отливок сталь Гадфильда нашла столь широ-
кое применение.
Правильная смазка, определяющая условия пзноса, влияет на вы-
бор того или иного строения стали, обеспечивающего минимальный
кы. Износоупор-
1, определи-
ИЛИ иных
ЧП я
Рис. 3SS. Образование под влиянием ударной нагрузки многочпглевввгх плоскостей
ЙзадьЯИаия и Паклена поверхности в еуетенитной стали Гадфильда (слев< -3
строение до наклепа, справа — после). X 1ОД
522
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
износ При обильной смазке наиболее устойчива структура, удовлетво-
ряющая известному правилу структур для антифрикционных цветных
сплавов; структура должна состоять из вязкой основы (матрицы),
в которой прочно внедрены твердые составляющие. Для стали
такой структурой является сорбит или перлит, в которых -пластичной
матрицей является феррит, а твердой составляющей — карбиды.
При сухом трении и при больших удельных давлениях наибольшим
сопротивлением износу обладают уже более однородные структуры
с высокой начальной или вторичной твердостью
(т. е. мартенситные или аустенитные). В этих условиях износа найме
нее стойкой структурой оказывается ферритная. Легирование феррита
элементами, образующими твердый раствор н искажающими кристал-
лическую решеткч (никель, кремний и др.), способно в известной сте-
пени повысить его сопротивление износу.
Для повышения сопротивления износу при безударной нагрузке
и скользящем гренни следует применить комбинированные структуры
из упрочненного феррита и твердых карбидов. Хромо-
Рис. 35$. Влияние термической обработки и содер-
жания углерода на износ стали (износ определен
как потеря в весе на 100 000 кем затраченной
работы яри трении металла о металл)
никелевая сталь, в которой никель находится в твердом растворе
в феррите, а хром связан с углеродом в карбиды, являете; трнмероч
шбиой структуры, определяющей высокое сопротивление износ .
При такой структуре необходимо иметь дисперсные, равномерно
распределенные карбиды пластинчатой формы. Сфероидизированные
(при сорбите' и грубые включения карбидов (при перлите) могут быть
легче вырваны из основной массы и, играя роль абразивов, увеличат
износ. , д
В связи с этим наилучшим сопротивлением износу будут обладать
мартенситные и трооститиые структуры и, следовательно, структуры,
полученные после закалки, а не после нормализации (рис. 356) 434].
Результаты приведенных исследований не могут быть обобщены
для всех условий иэноса, однако согласованно определяют известное
в практике положение, что для износоупорных отливок желательно
иметь содержание углерода выше 0,40%. Отливки же следует подвер-
гать закалке и отпуску только на I00-—300°, в зависимости от состава
стали (табл. 56).
Фиэичхлме плота сглмкых ‘«глипк
523
Сопротивление износу литой марпнцетнтаиистой стали в зависимости
ат температуры отпуск» (сопротивление износу углеродистой стели
0,10% С принято за 1,000)
Отожженная
Закаленная в масле
5
540°
1.53
255
444
321
2,01
1 62
1,00
1,13
Углеродист»» 0,10% с
То же 0,250% С
|»О| Т
Закалка и отпуск
на 320°
То же 480®
С’1
‘ То же (0,50% С; l,lSfilq Мл ,
К 0,25% Ti) ।
То же (0,50% С; 1,75»/» Мл
H 0,25%, ТО
То же (0,50% С, 1,75% М»
и О,23»/о то
Состав стали
Терпи ческа в
обработка
я§8-
8. S
60\------
о ManmgHCvfn
WO ХОВ 300 60S 500 600 708
Твердость по бринелтНд
Рис. 357. Максимальная скорость износ»,
сравниваемая с твердостью по Брннелю
угтеродистой стали (С от 0,19 до 1,75%),
имеющей рваличное строение
структуры
о Пластинчатый
перлит 1
К СфероиВизчрв8п
иые Ыр6и0ы |
л/роогтит
(ртпуск SOO*t) I
• Троостит
(отпуск 600’С)
Из данных табл 56 также видно, что, несмотря на общую закошу
мерность прямой связи сопротивления износу с твердостью, все же
возможно при понижении
твердости повышение сопро-
тивления износу (№ J я 4).
Высокая износоупориостъ
аустенитной стали, несмотря
на ее сравнительно низкую
твердость, является откло-
нением от прямой зависи-
мости между износом и
твердостью Тако* же от-
клонение имеет место и в
графитизироваиной" стали
или чугунах. ГГри сравни-
тельно небольших давлени-
ях и скоростях эти мате-
рнадьр, несмотря на малую-
твердость, обладают хоро-
шей износоупорностью.
Однако все эти отклгн
нения имеют свое объясне-
ние Отпущенная сталь мо-
жет иметь более высокое
сопротивление износу во
всех случаях, когда благо-
приятное влияние структур-
ных изменений или умень-
шения напряжений пере-
крывает вредный фактор
понижения твердости. Если
аустенитная стддь получает
наклеп в условиях износа,
она резко повышает вторнч-
324
Свойства сплмыл отливок. и алшшже mt них efcraea стали
ную твердость и, следовательно, износоупорность. Наличие же графита
при сухом трении обеспечивает «автосмазцу», а при» жидкостном тре-
нии впитывание масла, что сохраняет непрерывность смазочной пленки
и этим улучшает износоупорность (147].
Следовательно, между износоупорностью и твердостью как опре-
деленными поверхностными свойствами должна существовать некото-
рая связь — чем больше твердость, тем больше износо-
упорность. Однако обобщения для всех марок стали и в особенно-
сти для различных сплавов делать нельзя. Необходимо тщательно учи-
тывать условия износа и особенности строения металла. В конкрет-
ных условия!*, для группы стали одного класса, можно по определению
твердости оценивать сопротивляемость износу. Соответствующие иссле-
дования для групп углеродистой стали представлены на рис. 357 134].
Б. ОБЪЕМНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
В противоположность физическим свойствам поверхности
отливок объемные ия свойства (тепловые, электрические, магнит-
ные) обычно не зависят от внешних условий и определяются абсо-
лютными характеристиками. Эти свойства часто являются специаль-
ными, определяющими, независимо от механических свойств, выбор
состава стали соответственно условиям службы отливок.
Т епловые свойства (теплоемкость, теплопроводность и их про-
изводные — теплосодержание и температуропроводность) оказывают
часто решающее влияние на условия получения здоровых отливок
и режимы термической обработки. Они также играют большую роль
при службе отливок в качестве деталей теплотехнических или холо-
дильных установок.
Электрические свойства важны при службе отливок как
элементов сопротивления, в магнитном поле и в процессе электро
плавки. Магнитные свойства важны для отливок, работающих
в качестве деталей электрических машин, Магнитов и т. п.
I. Тепловые свойстве стальных отливок
Теигопроводность А чистого железа вринпмпется часто в> 0,134, хотя более
вероятна величина в 0,174 Кал/ам - сек - ° С, причем углерод, кремний и марганец
понижают тептоеопрлтвцлеипе (величина обратная теплопроводности) по
формула
,. —я» Ь744 + ^’Ч32 С + 5-087 ® + 2*461 Мп-
Сводные данные о влиянии разных влемеятов на тешпнепие тенЖироводвоеА
стали представлены на рж. 358.
Рис. 358. Сводные данные по разным исследова-
ниям о миядви элементов на повлжекпа таало-
проводности сталь
Физические свойства стальных отливок
525
В высоколегированно* стали с содержанием хрома, мар-
паца, кремния и иккеля>5Я теплопроводность уменьшается
в два-четыре рава по сраввеяню с углеродистой сталью. В связи
е зтнм осложняются условия пол учен ан здоровой отливки из них.
В лито* стели, как правило, из»за пор и неедиородяостй
состава крнетяллИто в, теплопроводность ниже, чем в Кова
ной стали, причем отжиг повышает теплопро водность (тайл. 57у.
Таблнна 57
Влияние термической горячей механической обработав
на теплопроводность литой стали (По разным данным)
Теплопроводность, Ядл/'С см -сек
а состояния
Марка стали
Нержавеющая—
-ледебуритная
1,90 0С; 11,50/с
Жароупорная—
аустенитная
0.25% С:24,0»4|
Сг м 20,0в/о Ni
Инструменталь-
ная—карбидная
О,вО% С ; 19 О»
Теплопроводность углеродистой стали понижается При июышенга содержании
углеродз и температуры, рис 359.
в эарисамостн «т содержания углерода к темпе-
ратуры (по разным данным)
Можно принять, Цо тепзоореввддость литой углеродистой стали составляет
0.12—ft И Кал)°С с*-сек. а высоколегированной 0,03—0,09 КамрС см сек при
нормальной температуре.
526
Свойства стальных отмсвок и .влияние на них состава стали
Ср«динв данные о теплоемкости, теплосодержания и темперитуропроводностн
«тали были приведены табл. 4. Так как теплоемкость карбмдов выше теплоемко-
сти железа (0,151 против 0,115 Кал>г. °C при нормальной температуре), то с повы-
шением содержании углерода увеличивается теплоемкость стали (при 1.0% С около
0,119 Кц4/г-°С). При этом структура стали в отношении <>ормч зарбчдов почти
не влияет нв теплоемкость. С повышением содержания углерод» .увеличиваете» так-
же теплосодержание-стали.
С повышением температуры затрудняются условия выравнивании температур по
сечению отливки, так Как температуропроводность уменьшается более сильно, чем
теплопроводность. Объясвнется это тем что температуропроводность определяется
* 1
как а = -—причем с повышением температуры теплоемкость увеличивается
г -а
относительно сильнее, чем уменьшается плотность jtf
2. Электрические свойства стальных отливок
Как известно, уже давно установлено, что между электропроводностью у
н теплопроводностью существует постоянное отношение А/т пря нормальной темпе-
ратуре, Также установлено, что ври различных температурах это отношение опре-
деляется числом L = A, iT
Эти свиаь указывает на Овщжогть свойств теп-гмпрааоряосги и алектрекрогоьности, сбуслоеиги-
ных общим механизмом атомного переноса епергии (наличием в металле влектрспсв проаоаимостм)
С повышением температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов, повы-
шается сопротивление движению электронов и, следовательно, электросопротивление
(чистого железа 9,8, а стали с 0,20% С—15 р ом сж). Оно достигает для стали
140 ом-см при температуре ннавленяя.
Повышение содержания углерода и других элемевтов,
наличие пор и включений влитом металле по в ы ш а ют электро-
сопротивление. Из элементов состава стали наиболее сильно повышают элек-
тросопротивление углерод, кремний, хром и алюминий (1% элемента соответ-
ственно на 34Д 13,5, 11 и 18,9 Р ом см). Однако влиянии каждого элемента
проявляется различно, в зависимости от получаемого строення.
Внедрение атомов легирующих элементов в решетку чистого металла нарушает
периодичность. Вследствие этого теплопроводность тегированной стали всегда меньше
железа, а электросопротааление больше. Чисто ферритные к аустенитные
структуры характеризуются наибольшие электросопроти-
влением. Элементы, находящиеся в дисперсной фазе, также понижают теплопро-
водность, причем пластинчатый иерлнт влияет интенсивнее зернистого.
Для литых реостатов наиболее пригодна ферритиан (25% -Ст, 7% А|) и аусте-
нитная сталь, тем более, что опа жаростойка и обладает малым температурным
коэфицнентом электросопротивлении (всего 0.0006—0,0009 на 1°С против 0.004 для
обычной стали).
На основе различных исследований для отожженных отливок из
углеродистой стали можно принять электросопротивление в среднем
14, 16 и 18и ом см при содержаниях углерода соответственно 0,07—
0.20%; 0,2-0,46 и>0,45%.
3. Магнитные свойства стальных отливок
Известно, что кривые намагничивания металла образуют гистере-
зисную петлю, площадь которой характеризует количество поглощен-
ной энергии (потери на гистерезис). В зависимости от вида гистерезис
ной кривой различают магнитно-мягкие сплавы с узкой и маг-
ии т н о-т в е р д ы е с широкой петлей гистерезиса.
Магнитно-мягкие сплавы имеют большое применение для отливок
электротехнической промышленности в условиях работы их как Mar-
ti итопроводов в магнитном поле (полюса, полюсные 'колеса, кожухи
дииамомашин, моторов и т. п.). Такие отливки характеризуются высо-
кой индукцией (В гаусс) при сильных или слабых магнитных полях,
малой коэрцитивной силой (Нс эрстед) и высокой магнитной проницае-
мостью р.=В/Н гаусс/эрстед. Для переменного тока такие отливки
должны также характеризоваться для экономичных условий работы
малыми потерями на гистерезис и на токи Фуко. Последние тем боль-
ше, чем меньше электросопротивление. Поэтому магнитномяг-
кие отливки в условиях переменного тока должны
обл йвть также высоки электросопротивлением
Физические свойства стальных тливак
527
Магнитно твердые стали применяются для литых
постоянных магнитов. Для повышения устойчивости намагни-
чивания от такой стали, в противоположность магнитно мягкой, тре-
буются высокие коэрцитивная сила и остаточная индукция (В, гаусс).
Кроме того, стальные отливки
со специальными магнитными свой-
ствами могут иметь магнитную
проницаемость 1,0, т. е. не об-
ладают магнитной восприимчиво-
стью и являются практически нс-
м агнктными. Немагнитная
сталь должна иметьаусте-
нитное строение и приме-
няется для немагнитных
отливок (башни подводных ло-
док и другие детали вблизи компа-
сов у судов и самолетов, концевые
плиты трансформаторов, бандажи
турбогенераторов, подвески магни-
тов и т. п.).
]. Магнитно мягкие стальные отливки.
Чистое железо является очень мягким
в магнитном отношении материалом
(имеет В, » 1300 гаусс р 5000
10000 гяусс/эрсгеа и Нс всего 0,9—
1.0 эрстед). Все почти примеси повышают
магнитную твердость железа. Особенно
Рис 360. Влияние содержания
угчерода и структуры стали на
коэрцитивную силу
эелнко влияние углерода.
Чем выше содержание угтерода. тем менщве максимальная проницаемость, так
как уменьшается объем феррита. Кроме того, при одной и том же содержания
углерода коэрцитивная сила сильнее возрастает при строении стали, имеющем мелко-
пластинчатый перлит по сранвенжю с зернистым. Это, видимо, объясняется мень-
шими структурными напряження-
.. ----- поверхностями
раздела фаз при зернистом пер-
тите (ряс. 360) (34].
Поэтому Для магнитно мяг-
ких отливок необходимо приме-
более
_____________________ углерода,
в виде сфероидизированных кар-
бидов или перлита. Охтивхн так
_______ - механи-
чески равновесный состоянием, чи-
стотой в отиошевнн раковин, пор,
различных включений н вредных
... ... »------- влинвие на
____......___г___,____ j очень
малых содержаний обычных лрв-
* - j Также
усматрк-
... _ млн даже
0,005% S эквивалентны по алии
нию на потери 0,1% Мп. Они вы-
зывают потерю 100 эрг на 1 см3
_ : ______ ..... г. - геееэ гаусс,
Прн повышении содержания фос-
фора выше 0,02% вредное влия-
ние его уже не прогрессирует.
Так же вредно алияние неболь-
ших содержаний водородаг ин-
1
IzWO
^2000
i
а
1000
t
S1200
I
£ 200
§
¥00
0,18
ооо
8,04 008 Q.12
ляемнгн.%
меньшими
низким
сталь
возможно
содержвнием
же должны
отличаться
Большое
потери гистерезиса даже
фосфера
марганна
углерода н _____г-----
вается на рис. 361 [34].
Каждая 0,01%
ЦИКЛ
при
В
--.10 000
Рис. 361. Влнвкже очень малых содержа-
ний фосфора, серы, углерода н марганца
па потери гистерезиса
слорода, азота.
Из изложенного следует. что
магнитно мягкие Оттявхн дол-
жны подвергаться отжигу для
528
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
достижения Структурно 1< механически равновесного состояния- Втняние отжига
на улучшение магнитных свойств таких отливок определено Гумлнхом (табл. 68).
Твблядя 68
Магнитные Свойств! о главок вз мягкой углеродистой стали в зависимости
от отжига и по сравнению с электролитическим железом
Материал
Состояние
|s
go
xS:
Электролитическое
желеао
Стальная отЛивка
(0,15% С)
То же (0,15® о С)
Отожженное
Сырое . . .
Отожженное
О,ЗБ 10 800
1,51 Ю60О
0,37 11 000
14 400
3 550
14 800
Уже отмечалось, что магуСТио мягкое литье при работе в условиях перемен-
ного тока должно иметь для уменьшения потерь на токи Фуко высокое электросо-
противление. Поэтому дли отливок деталей длнамомашин, не несущих больших на-
rpysox, применяется иногда сталь с высоким содержанием кремния (до 2%) и алю-
миния (для трансформаторной стали содержанке кремния достигает 4%).
Благотворное влияние кремния ваключается не только в повышении р ом • см,
по и в получении чисто ферритной структуры, не имеющей фазовых превращений.
Вследствие этого отливин имеют очень крупное зерно, не изменяющее своих разме-
ров при термической обработке. Потерн иа токи Фуко яз-за загрязнений по грани
цам зерен будут при таком строении меиыипе, чем при мелкозернистом, имеющем
относительно большую протяженность Границ.
Применение танях отяипок ограничивается условиями сравнительно малых на-
грузок.
2. Магнитно твердые стальные отливки Литые стальные магниты имеют «ре
имущество перед коваными вследствие лучших свойств даже при одинаковом со-
ставе, но главным образом вследствие 'того, что литому магниту может быть при
дана необходимая форма. Для лучшего использования магнитного потока конструк-
ция литого магнита может быть легко выполнена переменным сечением от полюсов
к нейтральной линии. Кроме того, совремеякые, наиболее сильные магнитные еялавы
вообще не выдерживают обработки давлением.
В противоположность магнитно мягким отливкам, которые должны иметь одно-
родное, однофазное, свободное от нниряженнб строение, магнитив твердые
отливки для достижения высоких коэрцитивной силы и ост
тбчиой индукции должны иметь неоднородное, иапряжея-
ко е строение.
1 Неравномерное и напряжен иое строение может быть достигнуто путем получе-
ния мартенситной структуры, либо структуры, характерной для начального Периоде
выделения избыточной фезы при дисперсионном твердении.
Для магнитов небольшой мощности можно использовать отмеченное выше
Влияние углерода на повышение коэрцитивной силы (см. рис. 360) и применят*
высокоуглеродисгые стали в звквлеином состоянии. Однако свойства таких магнитов
будут сравнительно невысокими. Они характеризуются по исследованиям В. С-Месь-
книа и А. Ф. Стогова |148] коэрцитивной силы всего в 60 эрстед при остаточной
индукции 8000—9(ХЮ гаусс.
Небольшая остаточная индукция («количество постоянного магвитнзйа»)
высокоуГлеродистой стали объясияется значительным уменьшением количества евв-
одного феррита при повыше ином содержании углерода в этой стали (около 1% С)
Поэтому легирование стали иярбидообразующнми элементами (вольфрамом, хромой,
кобальтом, молибденом) повышает магнитно твердые свойства стали. Прн одном
и том же содержании угтеродя объем шецвальхых карбадг» вольфрама, хрома
и др. меньший, чем PejC. Объем свободного феррита относительно увел»«вается.
следовательно, увеличивается и остаточиый магиитизм. Кроме того, прсктстиваемостъ
такой стали выше, чем угчеродиетой. В ней можно получить мартенситное строение
при меньшем содержании углерода, что также повысит остаточиый магиитизм.
Другая группа стали для литых магнитов применяется уже на основе пе мар-
тенситной структуры, а напряженного строения при дисперсионном твердении. Эт1
группа так называемых а сплавов характеризуется системами: железо-вольфрам-
кобальт, жечезо-мелибден-кобалът и железо-ннкель-алюмиинй с соответствующими
Физическое свойства стальных оглимк
их разновидностями, различными комбинациями рассматриваемых ниже составов.
Основным условием применимости подобных сплавов является их способность
к дисперсионному твердению, причем сплав должен иметь высокую коэрцитивную
силу и одновременно высокую остаточную индукнию.
Наибольшее применение д»я литых магнитов получили никелыииоминневые
стали, совершенно не поддающиеся ковке или прокатка Исключительные магнитные
свойства этой стати (остаточная индукция 8000—9000 гаусс при коэрцитивной силе
500—600 эрстед! получаются непосредственно
Рис. 362. Влияние ско-
рости охлаждения вн
коэрцитивную ситу Нг
и остаточную индук-
цию В г в литых маг-
нитах никелеалюыннне-
кобальтоаой стели:
1 — 21,2»/. St; 12.W, Al
1.2'/, Оо; — П.3¥« HI;
Щ*/« А1 и 11,8»/. Со; 1 —
24,0»/. HI; 12.ОТ. Al к
8.W. Со
в литом сыром состоянии или пре низком отпуг
ске на дисперсионное твердение. Современны?
исследовавня показывают, что максим альнии
коэрцитивная сила получается в самом началь-
ном периоде дисперсионного тпердеини, когда
в твердом растворе > ронсходиу, еще тодько диф-
фузновный процесс.
Степень распада раствора аавнсвт от ско-
рости охлаждения. Поэтому в зависимости от
толщины стенок отлнвкй и метода ее валнвкй
(в кокиль или в песчаную форму) нужно под-
бирать оптимальный состав стали, чтобы полу-
чить уже в сыром состоянии наитучшее строе-
ние. Если состав стали не отвечает условиям
охлаждения, то либо пе получится распада твер»-
дого раствора, либо произойдет коагуляция вы-
делившейся фазы. В обоих сяучанх наилучшие
магнитные свойства достигнуты не бунт
Рис. 363. Влкинве толщины стеяох
литых маннитов иа требуемое со-
держание алюминия в ннкелеалю-
миниевой стали
Многочисленными работами, особеяно советских ученых (В. С. Меськнн (148],
А. С. Займовсхий и В. В. Усов (ИЯ]. Б. Г. Лившиц [150]) вскрыта природа литой
магнитной стали и установлены соответствующие овтимальиые условия выбора ее
состава. Для иллюстрации на рис 362 [149] приводится алняние скорости охлажде
иия литых магнитов аз никелеалюминиекобальтовой стали на Нс и В, , а на
рис. 363 [148] алниние толщины стенок отливки на оптимальное содержание алюми-
нии в ннкелеалюмниневой стали.
3. Немагнитные стальные отливки. Немагнитные стальные отливки применяются
для работы в условиях минимальных ваттных потерь (крышки масляных выключа-
телей, роторные втулки и т. п.), либо в условиях ыиннмальиосо искажения магнит-
ного поля (детали вблизи компасов и сильных магнитов). Стальное литье дешевле
и заменяет немагнитное цветное литье во всех случаях, когда, кроме отмеченных
свойств, от отливок требуется высокая механическая прочность.
Получение требуемой в таких отливках аустенитной структуры,
характеризующейся магнитной проницаемостью почти такой же, как
у воздуха, т. е. всего >*=1,1—1,3, достигается легированием элемен-
тами, расширяющими область т-твердого раствора. В никелевой стали
для этого требуется содержание Ni ~ 25 %, в марганцовой стали —
выше 12% Мп при содержании С ~ 0,4%.
Так как никелевые стали не дают достаточно устойчивого аусте-
нита, а никель, кроме того, является дорогим легирующим элементом,
то часто применяется комбинированная немагнитная аустенитная
34 Зак. 79. Ю. А. Нехепдаи
530
Свойства cnutmlx отливок к влияние rtb них Состава стали
никелемарганцовая сталь. Состав стали может быть рассчитан по фор-
муле
Ni 4- 2,5Мп 1 i8C 33,
из которой видно, что влияние марганца на образование аустенита
в 2,5 раза интенсивнее влияния никеля.
Была предложена [58] новая чисто марганцовая, без никеля, ста-
бильно аустенитная немагнитная, легко механически обрабатываемая
сталь (17—20% Мп при 0,35% С), давшая при испытании в отливках
р= 1,12 и р = 0,85 ом мм2{м (подробнее -в гл. XVII).
В. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
Износ, усталость и случайные удары, превышающие известную
прочность, являются главнейшими механическими факторами,
разрушающими или приводящими, из-за изменения размеров, в негод-
ность отливки. Главнейшим же химическим фактором, разрушаю-
щим отливки, является коррозия. Коррозия металла есть химиче-
ское или электрохимическое разрушение его в условиях самых различ-
ных сред и температур; этот вид разрушения наиболее губителен. Уста-
новлено, что мир теряет от коррозии (на возмещение потерь и на пре-
дохранение поврежденного металла от дальнейшего разрушения) еже-
годно четыре биллиона золотых рублей и 40% всего производимого
за год металла.
Отсюда понятно значение, которое придается исследованиям про-
цесса коррозии и предохранению металла от нее. Соответствующие ра-
боты проводятся в многочисленных лабораториях по всему миру. Опуб-
ликовано огромное количество различных исследований, из которых
особо выделяется по теоретической глубине работа Г. В. Акимова [151].
Однако, вследствие большой сложности, простые меры полной ликвида-
ции коррозии металла еще не разработаны.
Процесс коррозии заключается н химическом илн электрохимиче-
ском воздействии окружающей среды на металл. Химическая и физи-
ческая природа среды может быть различна, иметь различную темпера-
туру, давление и концентрацию, воздействовать различное время. На
показатели сопротивления коррозии влияют наружная поверхность
изделия (в частности, литейная корка отливок), однородность строения,
загрязнение различными включениями, наличие остаточных напряже-
ний, контакт с другими материалами и т. п. Поэтому неизменных и аб-
солютных показателей коррозионной стойкости изделия нет.
Вместе с тем для определенных условий работы уже известны
многочисленные устойчивые против коррозии марки стали, применяемые
для отливок. Коррозионная стойкость определяется либо невозмож-
ностью химической реакции между средой и металлом, либо ее прекра-
щением из-за образования на поверхности изделия тонкой, плотной,
прочно связанной с металлом предохранительной пленки.
Принято считать, что вполне устойчивым считается металл, имею-
щий потерн 0,1 г!л&-час; достаточно устойчивым от 0,1 до 1,0; отно-
сительно устойчивым от 1,0 до 3,0, мало устойчивым от 3 до 10 и не-
устойчивым— более 10 г!м2-час. Потеря 1 г!м2 -час означает потерю
веса с 1 ма поверхности 8,75 кг в год или уменьшение толщины изде-
лия на 1.12 мм/год.
1. Электрохимическая коррозия стальных отливок
Чем больше потенциал металла, тем он благороднее, тем он более
устойчив. Величина потенциала зависит не только от
свойств металла, но н от среды (электролита). Пред-
Химические свойства стальных отливок
531
ставляя собой конгломерат различных кристаллитов различного микро-
химического состава, с различным состоянием пограничных участков,
сталь является по существу многоэлектродным элементом. Гальвани-
ческие пары могут возникать между карбидами и твердым раствором,
между отдельными криста тлитами, между отдельными зонами различ-
ного состава, имеющими различные потенциалы.
Наииизшим потенциалом обладает обычный феррит (—0,75 V). Он
поэтому является анодом в паре с карбидами и прежде всего подвер-
гается коррозии. В связи с этим однородная, однофазная
структура всегда является, при прочих равных условиях, более
стойкой, чем двухфазная. Коррозионная стойкость очень мяг-
кой стали (в пределе железа армко), высоколегированной чисто фер-
ритной или аустенитной стали очень высока. Последние стали в зави-
симости от состава применяются в качестве нержавеющих для работы
н слабо агрессивных средах и кислотоупорных — в сильно агрессивных.
Получение нержавеющей стали, стойкой против электрохимической
коррозии, основано на легировании ее элементами с более высоким
потенциалом, чем железо (например, медь, молибден, никель), либо эле-
ментами, более легко пассивирующимися (хром, кремний, алюминий).
Влияние более благородного элемента, чом железа, заключается
в том, что атомы этого элемента образуют на поверхностй изделия
плотную пленку, предохраняющую атомы жедеза от окисления или рас-
творения. Химическая реакция становится невозможной. Пленка атомов
данного элемента получается осаждением нх из раствора, образовав-
шегося при коррозии наружного слоя изделия.
Влияние более легко пассивирующегося элемента заключается
в том, что он образует на поверхности изделия защитную, не прово-
дящую ток пленку из своих окислов или других продуктов своей кор-
розии.
Наличие пленки окислов элемента, легче окисляющегося, чем же-
лезо, как бы механически предохраняет его от воздействия агрессивной
среды. Пассивирующая способность данного элемента передается все-
му сплаву. Для этого концентрация элемента ие должна быть ниже
определенной величины, а защитная пленка плотно и прочно перекры-
вать всю поверхность изделия.
Если бы диффузионная способность элемента, пассивирующего
сплав, была высокой, то коррозионная стойкость сплава повышалась бы
равномерно с увеличением концентрации элемента. Потребовалась бы
сравнительно небольшаи концентрация данного элемента для того, что-
бы его атомы путем диффузии восстановили потери от коррозии иа на-
ружной поверхности изделия.
Однако в действительности диффузионная способность элементов,
окисляющихся легче, чем железо, чрезвычайно мала, особенно при низ-
ких температурах. Поэтому переход в пассивное состояние происходит
не постепенно, а резко, скачком, при такой концентрации элемента, ко-
торая соответствует определенному симметричному расположению его
атомов («граница воздействия» по Тамману). Это расположе-
ние в равновесных структурах получается при концентрациях элемента,
кратных 7В моли, и может повышаться при удалении от состояния
равновесия (мартенситные структуры, остаточные напряжения в изде-
лии и т. п.).
Хром является одним из наиболее хорошо пассивирующихся
элементов, так как сравнительно легко окисляется, давая плотную
пленку окислов. Поэтому легирование трудно пассивирующегося же-
леза хромом сообщает железохромистому сплаву пассивность, прису-
щую хрому. Получающаяся нержавеющая хромистая сталь
34*
S32
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
требует в атмосфере воздуха концентрацию хрома не ниже
х«в моли, что соответствует весовым 11,7% Сг. Прн достижении этой
«границы воздействия* скачкообразно повышается потенциал стали
(с —0,6 до +0,8 к) и она переходит в класс нержавеющих.
В другой атмосфере, не окислительной, например в соляной кис-
лоте, хромистые стали не имеют уже защитной оксидной пленки и раз-
рушаются- Если даже в окислительной атмосфере пленка окислов, на-
пример, хрома потеряет свою сплошность из-за какого-либо неметалли-
ческого включения, в этом месте разовьется коррозия. Эта местная
коррозия будет тем интенсивнее, чем больше разница потенциалов
между включениями и металлом.
Так же неблагоприятно влияет и неоднородность структуры, в ча-
стности, разность потенциалов между карбидами и основной массой.
Содержаниеуглерода,, %
Рве. 364 Влияние содержания углерода
на потенциал 13—16%-ной хромистой
стали яа воздухе
Вредное влияние углерода
с точки зрения электрохи-
мической" коррозии не огра-
ничивается только местны-
ми гальваническими пара-
ми. При высоком содержа-
нии хрома в основной мас-
се разность потенциалов ее
карбидов может оказаться
не столь большой. Но при
наличии углерода образу-
ются специальные хроми-
стые карбиды, например
Сг7С3. В этом карбиде ве-
совое содержание хрома в
10 раз больше углерода. Следовательно, при среднем содержании хро-
ма .в стали 12% и при 0,2% С, в карбидах хрома будет связано около
2% Сг, а в твердом растворе в феррите останется только 10% Сг.
Такой феррит будет иметь уже -низкий потенциал и, по -известным ис-
следованиям, сталь потеряет свои антикоррозионные свойства (рис. 364).
Чтобы сталь при 0,2% С была нержавеющей, необходимо иметь
минимально 12 + 2=14% Сг.
Если по границам зерна нержавеющей стали произойдет значи-
тельное выпадение карбидов, то в этих участках произойдет обеднение
твердого растворе хромом. Прн этом может потеряться коррозионная
стойкость пограничных участков отдельных кристаллитов, если только
содержание хрома опустится ниже границы воздействия. В металле ра-
зовьется межкристаллитная (интеркристаллитная) коррозия,
и он потеряет всякую прочность.
Кроме состава, на коррозионную стойкость большое влияние
оказывает поверхность отливки. Чем глаже и чище поверх-
ность, тем меньше ее абсолютная площадь соприкосновения с электро-
литом, тем меньше ее коррозия. Влияние поверхности усматривается,
например, из того, что отливки из нержавеющей хромистой стали мар-
тенситного класса (около 12—14% Сг) могут применяться как анти-
коррозионные, только в том случае, если имеют механически обрабо
тайную влн по крайней мере шлифованную поверхность. Отливки же из
кислотоупорной аустенитной хромоникелевой стали (18% Сг и 8% Ni)
имеющие большую коррозионную стойкость, могут часто служить без
шлифовки.
При этом необходимо принимать особые меры по получению глад-
кой поверхности отливки и по сохранению непрерывности
литейной корки: при местных обнажениях чистого металла могут
Химические свойства стальных отливок
633
возникнуть между ним и коркой гальванические пары, и начнется про-
цесс коррозии.
В отливках с таким высоким содержанием хрома, которое обес-
печивает высокий потенциал хромистого феррита даже при повышенных
содержаниях углерода, влияние литейной корки, по данным автора,
почти не сказывается на коррозионной стойкости (табл. 59).
Таблица 59
Влияние литейной корки ха коррозионную стойкость кислотоупорной стали с высоким
содержанием хрома и углерода
(определено по литым плиткам)
Потери в весе, г/лА час
№ и Состав поверхность H,SO4 1 :10 при+ 20" Н,РО« кипящая ZnClE кипящий уд. В. 1,9 FeC(a 30% прк-4-20° KHSO, уд. в. 1,05 при | 20°
8 час. 8-J-8 а . Нас. tic 1час ’ч1? 25 час. 40 час.
1 1,050/л С; 33,4% Сг шлифованная с литейной коркой 0 0 57.0 46,0 9.4 11,2 4.1 з,з 28,0 23,0 3,2 2,0 13,6 18,1 “ 9,2 8,0
2 1,85% С; 35,2% Сг шлифованная 0 197 20,2 6.0 29.0 1,4 1,30 13,3
с литейной коркой . 175 — 21,8 6,2 40,0 1.9 2,20 8,7
3 0,95% С, 29.4% Ст; 2.87% Мо шлифованная 0 7,7 9,3 2,8 0 0 0,3 0
с литейной коркой 7,6 4,6 8,6 2,7 2,2 0,11 1.3 0,17
4 1,98% С; 29,0% Сг; 2,94% Мо шлифованная 13,6 11 7 12,0 5,6 0,66 0,22 23,5 0,02
С литейной коркой . 13,9 12,3 10,4 3,7 0,27 0,2/ 25,0 0,30
5 1,44% С, 39,0% Си 2,33 % Мо шлифоважная 0 0,17 19,6 34,3 0,34 0,09 0,02 0,01
с литейной коркой 0,22 0 12 24,5 31,0 2,Ь2 0,12 0.04 0,03
Из приведенных данных усматривается не только отмеченное не-
значительное влияние литейной корки в кислотоупорной стали с высо-
ким содержанием [хрома, но и благотворное влияние молибдена в агрес-
сивных корродирующих средах. Как отмечалось, влияние молибдена
как элемента с положительным потенциалом объясняется защитной
пленкой его атомов, осадившихся из раствора на поверхность отливки.
Из приведенных данных видно также изменение скорости корро-
зии, большой в начале процесса н уменьшающейся с течением времени,
когда образовалась защитная пленка. Для окислительной среды раз-
личные исследования определили, что между скоростью коррозии и
временем существует зависимость квадратного корня
t/o=* кт.
где U — количество прореагировавшего кислорода,
z — время, а
534
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
к -н константа для данных условий коррозии (для данной среды
и температуры).
Если же защитная пленка проницаема, то скорость химической
коррозии, как показали специально поставленные исследования чугунных
отливок в окислительной атмосфере при высоких температура!, уже
прямо пропорциональна времени Uо — к - z.
2. Химическая коррозия стальных отливок
г» г* о .г», о, ftiOj
4. 4 V 4 fOOr
Рис. 365. Строение слоя окалины на поверх-
ности чистого железа после нагрева в ОКИС-
чителыгой атмосфере в течение 5 час.
лрл 1100° С
При воздействии на поверхность изделия даже сухого газа, осо-
бенно при высоких температурах, могут образоваться определенные хи-
мические соединения с элементами состава металла. На поверхности
изделий из простой углеродистой стали образуется слой окислов желе-
за, окалины (рис. Вб5).
Окалииа представляет собой последовательные слои окислов же-
леза с увеличивающейся степенью окисления до чистой окиси в наруж-
ных зонах. Такое строе-
ние окалины объясняется
кинетикой процесса кор-
розии, явтяющегося цеп-
ным процессом. Скорость
такого процесса опре-
деляется скоростью
диффузии, которая
меньше скорости
окисления.
Поэтому в наружных
зонах окалины, откуда
поступает кислород, гос-
подствуют высшие фор-
мы окислов. Слой окали-
ны уветичивается по тол-
щине как внутрь, в глубь
изделия за счет диффу-
зии кислорода, так и на
ружу, за счет диффузии
атомов железа
Если сталь легирована элементами, обладающими большим срод-
ством к кислороду, чем железо, если их окислы имеют больший теп-
ловой эффект образования и меньшую упругость диссоциации при тан-
ной температуре, то такие элементы предохраняют железо от окисления.
Такими элементами являются алюминий, кремний, хром, зате марга-
нец, цирконий, титан, ванадий, вольфрам.
Но для того чтобы пленка этих окислов явилась з а щи тно|
и обеспечила жаростойкость стали, она должна по-
крывать всю поверхность изделия, быть газонепрони-
цаемой, плотной, прочно соединенной с металлом. Она
также не должна давать расслоев, трещин и раковин при изменении
температур, иметь коэфицнент линейного расширения, близкий к коэфи
цненту линейного расширения металла. В !ней не должно быть ника-
ких превращений, которые вызывают трещины из-за изменения объ-
ема. При каких-либо повреждениях пленка должна быстро восстанав-
ливаться
1 Углубленное рассмотрение процессов окисления металлов при высоких темпе-
ратурах см. В книге В. И. Архарова [152].
Химические свойства стальных отливок
535
Чтобы пленка перекрывала всю поверхность изделия, объем обра-
зующихся окислов должен быть больше соответствующего объема ме-
талла
М>.Л£>10
' d„ ' ’ ‘
где ЛТи и Л/м — молекулярные веса окисла и металла,
d „ и d м — их плотности.
По величине этого отношения можно охарактеризовать влияние
на жаростойкость стали некоторых элементов:
Элемент: Cr W Мп Fe Al Са Na
Отношение ~ 3„92 3.30 2.07 2,06 1,28 0,78 0.32
«о «и
Ряс. 366. Влияние присадки 2,6% W на жаро-
стойкость аустеиятиой жароупорной хромоян-
келевой стали (25% Сг и 20% NI) в окисли-
тельной атмосфере печных газов при темпера-
туре 1300° С в течение 50 час.: слева — без
вольфрама; справа — с 2,5% W
Такие элементу, как кальций или натрий, имеющие величину от-
’ Мо . — - -
ношения <_ 1, не могут образовать сплошной перекрывающей
пленки и этим повысить жаростойкость. Вместе с тем величина отно-
Afo Л1ц -
шения является условием необходимым, но недостаточ-
ным. Например, окнелы железа дают величину отношения > 1, однако
пленка из них рыхла и -проницаема для газов. Вследствие этого кор-
розия прогрессирует, вы-
зывает образование тол-
стого слоя окалины, со-
стоящего из слоев окис-
лов различной степени
окисления (см. рис. 365)
Еще более ярко вли-
яние вольфрама, кото-
рый, несмотря на вели-
чину отношения, бльФкую
к хрому, чрезвычайно
резко понижает жаро-
стойкость при темпера-
турах выше 900°, так
как дает вспучивающую-
ся окалину, рис. 366.
по свой-
ствам пленку дают скис-
лы хрома, вследствие че-
го хром является
основным легиру-
ющим элементом,
применяемым для
повышения жаростойкости отливок. Известное количество
окислов кремния и алюминия еще более улучшает свойства пленки
окислов хрома, уменьшая ее газопроницаемость. Поэтому для отливок,
работающих в области очень высоких температур, применяются леги-
рованные комбинированные хромокремнпстые и хромокремнеалюминие-
вые стали.
Влияние хрома на жаростойкость стали в окислительных печных
газах при разных температурах видно из исследований [63], рис. 367
Чем выше температура, тем больше должно быть
содержание хрома, вне зависимости от содержания никеля,
обеспечивающего жаростойкость стали.
Наилучшую
536 Свойства стельных атмвок и влияние на имя состава стали
Рис. 367 Влияние хрома и никеля на жаростойкость стали в окислительной
атмосфере печных газов при различных температурах
Влияние кремния на дальнейшее повышение жаростойкости жа-
роупорной хромоникелевой стали при очень высоких температурах ус-
матривается по данным автора из рис. 368.
Благотворное влияние н и к е-
СодерЖ - ие кремния. %
Рис. 368. Влияние кремния на
жаростойкость аустенитной хро-
моникелевой стали (0,15% С,
26,0% Сг и 20% Ni> при очень
высоких температурах (определено
при испытании литых пластинок, с
удалением плотной и прочной ока-
лины траилеяаеы в разбавленной
серкой кислоте после кипячения
в лимоннокислэм амионниУ
л я на свойства жаростойкой ста-
ли сказывается в повышении ме-
ханических свойств из-за получае-
мой аустенитной структуры, в уве-
личении плотности пленки,усилении
ее сцепления с металлом и в умень-
шении газопроницаемости, что обу-
словлено хромитом никеля, образу-
ющимся на поверхности хромони-
келевой стали.
Легирующие элементы образу-
ют защитную пленку во внутренних
слоях окалины, обогащенных ими
вследствие диффузии. При этом
элементы более благородные, чем
железо, образуют защитную плен-
ку, оставаясь в -металлическом со-
стоянии (например, никель, медь
до определенной температуры —
рис. 369).
При химической коррозии в
окислительной атмосфере и при вы-
соких температурах влияние содер-
жания углерода и литейной корки
не имеет уже такого значения, как
в процессах электрохимической кор-
розии.
Химачвснии смвотла стальных отливок
537
Мд»
Рис. 3Q&- Выделение металлической иеДя на
границе между поверхностью стали в слоем
окалины (сталь с 2.2% Си посие окисления
в течение 4 час. на воздухе при 1100° С)
Содержание углерода в высокохромистой стали практически мало
^лвдет нц жаростойкость, так как в твердом растворе остается значи-
тельное количество хрома Вредное влияние "углерода проявляется Баро-
нессе селективной (избирательной) коррозии отливок. При работе в ус-
тановках для гидрогенизации
угля, смолы, нефти, лля про-
изводства бензина, для синте-
за аммиака, спирта и т. п. от-
ливкн подвергаются Воздей-
ствию водорода при темпера-
турах от 400 до 600° н давле-
нии от 100 до 1000 ат. Проис-
ходит образование СН,, обез-
углероживание и как бы «вы-
щелачивание» карбидов из
стали, что ведет к ее разру-
шению.
Характер газовой атмо-
сферы имеет (большое значе-
ние в процессе хвмическс^
коррозии. Например, жаро-
упорная аустенитная хромони-
келевая сталь совершенно Це
обладает коррозионной стой-
костью даже при сравнитель-
но невысоких температурах в сернистых газах, из-за образования лег-
сульфидов никеля Аналогично хромоалюмиииевая жаро-
стойкая сталь не обладает стойкостью в восстановительной атмосфере,
в которой имеется азот. В такой стали Происходит избирательная кор-
розия из-за образования нитридов алюминия.
Незначительное влияние литейной корки на жаростойкость стали
с различным содержанием хрома и углерода усматривается из данных
автора (табл. 60, стр. 538).
В таблице очерчены группы стали с «относительной устойчивостью»
(потеря в весе < 3 г/м1 - час} при соответствующих температурах. Для
подобной стали вредное влияние литейной корки может развиться
только при таких нарушениях ее сплошности, которые связаны с обра-
зованием неметаллических включений на некоторой критической глу-
бине под наружной поверхностью отливки.
3. Эрозия и кавитация стальных отливок
Отливки, подвергающиеся при своей служба коррозии одновременно с износом,
разрушаются под комбинированным «йтяЯием эЛго химического и механического
воздействия (эрозии)
Особенно значительно влияние эрозии при химической коррозии в области
высоких температур (детали дымососов эксгаустеров и т. и.).
Так как при эрозии стойкость изделии в значительной мере определяется его
износоупорностъю, то с повышением содержания углерода в стали
увеличивается сопротивление эрояи"й (рис. 370).
Однако, как видно из данных рис. 370. даже при высотой содержании угле-
рода потери в весе отлнвеж Я3‘зе эрозии сравнительно велики. Применение корро-
зи-жно стойкой стали (напрМер. Ферритяо-харбидной квбмйстоИ) имеющей достаточ-
ную изиосох'порность в- РлссмйтпнваемыХ условиях эрозии, --обеспечивает уже мини-
мальные потери в весе (тебя. 61).
В атмосфере пара или в воде отливки подвергаются комбинированному корро-
зионному и механическому воздействию, известному под названием кавитацн я.
Это явление рбоаяовання «раковил» было вйе-ые обнаружено на литых гребных
.винтах быстроходных торпедных истребителей-катеров. В дальнейшем разру-
шения от кавитации -<есто обнаруживались в" отливках и крупных гребных винтов,
в лопастях гидравтвческнх турбин, насосов и т. п.
53В
Свойства стальных отлиаок и влияние на них состава стали
Влияние литейной коряв ив жаростойкость хромистой стали (определено на литых
плиточках □ атмосфере воздуха в течение 220 час. с охлаждением каждые 24 часа)
(К — с коркой; Ш — без корки — шлифован)
Ряс. 370. Влияние содержания углерода на со-
противление эрозии в стальных отливках
крыльев сегментов дымососа, имеющего
3000 об/мин.
Разрушение получается вследствие действия местной, па микроскопически ма-
лых участках, концентрации напряжений. Они носят ударный характер, обусловлен-
ный отдельными быстро движущимися, падающими на поверхность отлнвкп и отска-
кивающими от нее каплями воды
Химические свойства стальных отливок
539
Таблица 61
Влияние состава стали иа сопротивление эрозии в отливках крыльев м сегментов
дымососа, делающего 3000 об/мин.
| № отливки । 7 тсэ Марка стали Строение Твердость по Брпнелю Износ в г/слЛ за 1000 часов
крылья сегменты
1 2 3 4 5 Углеродистая (—0,20»оС) . . . Хромистая (1,2 -1,5%Сг) .... Высокомарганцовая Гадфнаьда (12% Мп, закаленная) Ииэкоуглероднстая цементованная (0,15—1,0% С, закаленная) . . . Высокохромнстая нержавеющая (0.50^/о С; ЗО*-'о Сг) Перлитное Сорбипгае Аустенитное Мартенсит-1- -4- карбиды Феррит + 4- карбиды 120 250 220 580 270 3.9 2,1 0,9 0,7 0.5 20,5 16,8 9.9 6,3 5,7
Разрушение характеризуется появлением у надрезов или у дефектов поверх-
ности отливки отдельных впадин, образующих губчатую поверхность.
Из многочисленных исследований кавитации стальных отливок можно заклю-
чить, чго размер разрушения данного материала зависит от скорости движения воды
(ниже определенной критической скорости нет разъедания). Начало разъедания вк-
висят от гладкости и твердости поверхности отливки. Примой сахзн между пределом
прочности и разъедавием нет. Замечается известная зависимость между пределом
усталости и разъеданием. Таким образом, между о* и разъеданием может быть
установлена только косвенная связь для металла определенного происхождения.
В табл. 62 представлены данные о стойкости против кавитации отливок из раз-
личных марок стали по разным исследованиям.
Таблица 62
Стойкость проги* кавитацян различных металлов
№ Материал Число часов, необходимое для разъеда- ния на 1 мм Твердость по Брннелю "в кг: мм1 Предел прочности °ь kiImm"1
1 Стекло . . 1 3-8
2 Чугун ... 20 140-150 12-14
3 Особо качественная бронза 71 120 40-50
4 Углеродистая сталь (С 0,3%, отож- женная) 235 150 50—60
5 Никелевая сталь (3» п Ki i . . 280 160-170 55-60
« Отлняка из стали Гвлфвльда (12% Мп) 500 200 80—85
7 Отливка Ki нержавеющей хромистой стали (13% Сг, улучшенная) . . Отливка из кислотоупорной аустенитной стали (18% Сг и 8% N1) 600-800 220-230 70-85
8 2000 160-180 60-75
Таким образом, наилучшей стойкостью против кавитации обладает аустенитная
кислотоупорназ сталь. Она имеет равномерное, однофазное с высокой коррозионной
стойкостью строение. Следовательно, падающие капли не встречают отдельных ми-
кроучастков с местными вязкими механическими или электрохимическими свойства-
ми. Кроме того, эта аустенитная сталь легко наклепывается, получает вторичную
твердость и хорошо противостоит износу. Это особенно важно потому, что в усло-
виях больших скоростей движения воды механическое ее воздействие может прева-
лировать над химическим.
540
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Очевидно, что для высокой стойкости против каввтацвн
отливки должны быть свободны от наружных дефектов и иметь
мадк$уо обработанную или отшлифованную поверхность.
Это повысит сопротивление коррозии одновременно с сопро-
тивлением усталости.
Необходимо вообще учитывать, что даже незначительная коррозии
всегда резко понижает механические свойства, особенно предел уста-
лости. Пораженный коррозией участок не только ослабляет сечение,
но является надрезом, местом концентрации напряжений. По этой при-
чине так называемый «коррозионный предел усталости»
всегда ниже, при прочих р'авных условиях, обычного предела уста-
лости.
ГЛАВА AV/
ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Большинство отливок для различных областей промышленности из-
готовляется из простой углеродистой стали, обладающей сравнительно
хорошими литейными и достаточно удовлетворительными механиче-
скими свойствами, особенно после правильно проведенной термической
обработки. По мере развития машиностроения и расширения требова-
ний к конструкторам по созданию машин облегченного типа и дли-
тельных условий зксплоатании, развивается производство отливок из
специальной легированной стали
А, СВОЙСТВА ОТЛИВОК ИЗ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
1. Содержание углерода
Углерод по своему влиянию является главнейший
элементом не только в обычной углероди-стой, но и в
ряде марок специальной стали. Повышение содержания
углерода влияет прежде всего
на механические свойства от-
ливок. По мере повышения со-
держания углерода увеличи-
вается количество карбидов в
стали и при соответствующем
расположении и форме этих
карбидов усвливается блоки-
рование плоскостей скольже-
ния В феррите. Следовательно,
повышение содержа-
ния углерода ведет к
повышению сопротив-
ления пластическим
деформациям и к по-
нижению пластично-
сти стали.
Влияние содержания угле-
рода на os кг!мм? и для
основной мартеновской и элек-
трод уговой стали в отливках,
прошедших нормальный от-
жиг, представлено на рис. 371.
Рис 371. Влияние углерода на и 85 в
основной мартеновской и злектродуговой
стали, определенное методом больших чи-
сел в производственных условиях ПО
пробным планкам, прошедшим нормальный
отжиг
Показатель аь кг/мм? изменяется в зависимости от содержания угле-
рода примерно по прямой линии. Это дает возможность определить
в виде первого приближения для данных условий а„ =32,1 -f-63 С кг!мм?
для основной мартеновской стали и = 33,2 4- 63 - С кг]мм? для основ-
ной злектродуговой стали [142].
На рис. 372 приведены для сравнения американские данные а
1 «Справочник по стальному литью» (Steel Castings Handbook), изд. Steel
Founders See. of America 1941, 157.
542 Свойства стальных отливок. и влияние нй них состава стали
также данные по влиянию содержания углерода ие только на °е и
но и на и Ф после отжига и нормализации. Для оценки влияния
Рис. 373. Влияние углерода на ударную вязкость
пятой углеродистой стали по отдельно залитым
пробным ллмкаи при рявличных режимах терми-
ческой обработки
углерода на истинную пластичность литой стали необходимо рассмо-
треть также соответствующее изменение ударной вязкости при различ-
ных режимах термической обработки, рис. 373.
Отливки из среднеуглерадистоЬ стали
543
Кроме того, для более полной оценки углеродистой стали как кон-
струкционного материала необходимо проследить соответствующее из-
менение твердости стали и отношения -100% в зависимости от
содержания углерода, рис. 374.
Из рисунков видно, что повышение содержания углерода увеличн-
Рис. 374 Влмявне углерода на твердость по Бринелю
и на отношение -•* -100 в литой углеродистой стала
при различных режиивх термической обработав
(по данным рис. 372)
повышении содержания углерода сверх 0,40—0,45%
предел текучести больше не увеличивается, несмот-
ря н а п р од ол ж а ю щееся повышение В результате, в стали
с 0,45—0,50% С отношение э/о^-ЮО понижается до 50% (см. также
рис. 391).
Следовательно, для отливок, подверженных большим нагрузкам
н требующих показатель а выше 30—35 кг1мм\ углеродистая сталь
в отожженном или нормализованном состоянии применяться не может.
Необходимо применять легированную конструкционную сталь, либо
подвергать отливки из углеродистой стали сложной термической обри-
ботке.
При повышении содержания углерода сверх 0,40—
0,45% не только не увеличивается ^но резко падает
пластичность стали и одновременно возрастает твер-
дость, что ухудшает обрабатываемость отливки.
Поэтому в мировой практике производства стального литья верх-
ний предел допустимого содержания углерода в обычной углероди-
стой стали установлен в 0,40—0,46%. Повышение содержания углерода
сверх 0,45—0,50% следует рассматривать, как необходимое уже для
обеспечения каких-либо специальных свойств отливки. Сталь с таким
содержанием углерода нужно отнести к группе специальной высоко-
углеродистой стали. Почти на всех заводах для обычных отливок из
простой углеродистой стали принято содержание углерода около
Влияние массы на механические свойства подобной стали уже рас-
сматривалось (рис. 50 и стр. 283). Из этих, а также других много-
численных, не рассматриваемых здесь исследований можно установить
для использования в практике, что после нормального отжига сталь
с содержанием углерода-
0,2—0,3% С дает значение зв = 40—50 кг!ммг',
0,3—0,4% С > » ct=50—I60 »
544
Свойства ст'й'лькык отлаввк и влияние на них состава стали
Ограничение верхнего предела содержания углерода в "0,40—0,45 %
для обычной углеродистой стали приведено на основе изложенных со-
ображений только для условий отжига или нормализации. При закалке
с отпуском можно значительно повысить оА. яг’мм2, получая одновре-
менно сравнительно удовлетворительную пластичность и в стали с не-
сколько более высоким содержанием углерода (рис. 375).
Это содержание углерода даже в благоприятных условиях закалки
не должно все же превышать 0,55%. При закалке отливок нз стали
Рис. 375. Влияние углерода на механические
саойства среднеуглеродистой !итой brain после
закалки с отпуском на 570, 660 н 700° (сталь
предварительно нормализав^ч 900’)1
с более высоким содержанием углерода, даже при простой их конфи-
гурации, возможен повышенный брак из-за холодцы* трещин. Вообще,
несмотря на высокие свойства, характеризующие простую углероди-
стую сталь после закалки с высоким отпуском как конструкционный
материал с удовлетворительной пластичностью и хорошим отношением
asiat ‘100%, — эта термическая обработка применяется практически
в ограниченных пределах. Она применима только для отливок сравни-
тельно простой конфигурации, так как из-за большой критической ско-
рости закалки углеродистой стали охлаждение приходится обычно вести
резко в воде. С другой стороны, даже при таком быстром охлаждении
полная прокаливаем ость углеродистой стали возможна только в тонких
сечениях (критическая скорость закалки стали е. 0,3% -С огромна, до-
стигая 800—1000°/сек, а с 0,4% С — около 600°/сек.)
1 См. сиосжу на стр- 541.
Отливки из среднеуглеродистой стали S45
Как показали современные исследования специально для фасон-
ных отливок, углеродистая сталь с 0,3% С прокаливается
практически на диаметр всего 10—15 мм, а с 0,4% С на
15—20 мм — при закалке в холодной воде (в маете еще
меньше) (рис. 376).
Таким образом, для отливок даже со средней толщиной стенок
(больше 20—30 мм) или сложной конфигурации, не могущих перенести
резкое охлаждение ®
воде, приходится при-
менять, при необходи-
мости получения Чг >
>30—35 kbJmm2, низ-
колегированную кон-
струкционную сталь с
.меньшей критической
скоростью закалки.
Чтобы установить
допустимые пределы
содержания углерода,
необходимо рассмо-
треть, кроме влияния
его на механические
свойства, также влия-
ние на литейные свой-
ства углеродистой
стали. На основе всею
изложенного ранее мо
жно установить:
а) Повышение
g
t <
£ ,85 ё
^460 ^50
5 353
Расстояние ст закаленного конца, "м
Рнс 376. Прокачиваемость литой углеродистой стали
в зависимости от содержания углерода (0,2, 0,3 и> 0,4%)
н зю сравнению с литой низколегированной -маргаицо-
вчстой « хромомолибденовой сталью (прок*л»вемость
определена по методу торцевой закатки, № зерна
6—8)
содержания уг-
т ер од а, вследствие одновременного понижения температуры плав
ления и увеличения интервала затвердевания, значительно улуч-
шает практическую жидкотекучесть, особенно интенсив-
но увеличивающуюся при повышении содержания углерода сверх
0 18—0,2% (см. рис. 228 и 377). Ввиду этого следует ограничить ниж-
fr-.£ ____——ний предел содержании угле-
I [ 7 | рода в обычной углеродистой
стали в 0,2%, особенно длч
тонкостенных отливок.
б) Повышение со-
держания углерода,
вследствие увеличения усадки
в жидком состоянии и при за-
твердевании, а также вслед-
ствие понижения теплопровод-
Рмс. 377. Влияние углерода ва жидкоте-
кучесть углеродистой стали (требуемая
температура заливки для получения спира-
ли длиной 300 мм, по ванным рис. 228)
мости стали, увеличивает
объем усадочных ра-
ков и н. Кроме того, вслед-
ствие увеличения интервала
затвердевания и дендритной кристаллизации возможно получение мно-
гочисленных разбросанных усадочных раковин.
С другой стороны, используя лучшую практическую жидкотекучесть
стали с повышенным содержанием углерода, можно получить при вы-
соком перегреве ее усадочную раковину, достаточно удовлетворительно
сконцентрированную щ прибыли отливки. Обычно в практике выбор
содержания углерода в стали не определяется его влиянием на размер
прибылей и усадочных раковин в отливках.
35 Зпк. 70. ТО. А. Иехеидзя
5**’ Свойства Стальных ..•Ливок « влнянЦ на них состава стили
в) Повышение содержания углерода, вследствие умень-
шения доперлитяой усадки и допустимой более низкой температуры
разливки, уменьшает опасность образования горячих
трещин в отливках с механическим торможением
усадки. Для таких отливок необходимо выбирать стачь с возможно
более высоким содержанием углерода (или с очень низким, <0,1 %).
Для отливок, имеющих сравнительно мало стесненную усадку, ио
отличающихся термическими узлами и резкими переходами от толстых
частей к тонким, во многих случаях полезно применять очень мягкую
сталь. Например, в отливках тройников, имеющих сопряжение толсты к
фланцев с тонким телом корпуса, часто образуются горячие трещины
в местах этого сопряжения (стр. 476). Недавно произведенные иссле-
дования этих отливок доказали значительное уменьшение брака ис
горячим трещинам при заливке мнзкоуглеродистой сталью, с содержа-
нием не выше 0,12—0,15% С.
При содержании углерода выше 0,15% уже не проявляется основ
ная особенность низкоутлеродистой стали — узкий критический темпе-
ратурный интервал образования горячих трещин и расположение ел
при таких высоких температурах, когда сравнительно знала доперлит-
ная усадка из-за первичной кристаллизации через Fe- Ь твердый рас
твор (см рис 227) Однако применение такой мягкой стали, содер-
жащейС < 0,15%, вызывает ряд производственных осложнений.
Чтобы обеспечить требуемую техническими условиями прочность
исследованных отливок арматуры, в стали пришлось повысить содер
жание марганца до 1% и этим добиться эквивалентных свойств со
сталью с обычным содержанием уч лерода (0,2—0,30%). Излишняя
присадка ферромарганца вызывает удорожание стали. Основным же
недостатком применения такой стали в производственных условиях
явилось усложнение и удорожание процесса плавки. Из-за низкого со-
держания углерода плавку пришлось веста только в основной печи
(электродуговой из-за малого развеса отливок), увеличился расход
руды в окислительном периоде, удлинился процесс кипения, увели-
чился расход раскислителей и на 50% понизилась стойкость футеровки
печи и ковша из-за иеобходимостй иметь высокую температуру стали
Таким образом, применение низкоутлеродистой стали с целью
борьбы с горячими трещинами можно рекомендовать в крайнем случае
для отливок с термическим и даже механическим торможением усадки
г) Повышение содержания углерода, вследствие пони-
жения теплопроводности "тати и возможного, при быстром охлажде-
нии, повышения коэфнцнента послеперлитной усадки я фазовых йапря
жсини, увеличивает литейные Напряжении. Поэтому для
отливок, подверженных, в силу своей конструкции или метода заливки,
опасности образования холодных трещин, необходимо выбирать сталь
по возможности с более низким содержанием углерода.
д) Повышение содержания углерода, вследствие улуч-
шения жидкотекучести, возможности более длительной выдержки ста-
ли в ковше и меньшего перегрева и окисления при плавке, умень-
шает опасность образования газовых и неметалличе-
ских включений в отливках. Поэтому для отливок с большими
поверхностями и малой приведенной толщиной необходимо во избежа-
ние включений выбирать стали по возможности с более высоким содер-
жанием угчерода.
е) Повышение содержания углерода, вследствие его
способности к большой зональной ликвации, нежелательно в мас-
сивных отливках. В тонкостенных же отливках повышение содер-
жания углерода, хотя к способствует криста ч.пчтческой чиквапни и об-
Оглиоки из среднеуглеродистой стали 547
разеванию дендритного строении, однако, практического значения не
имеет ввиду слабого развития этих явлений.
ж) Повышение содержания углерода, вследствие до-
пустимой более низкой температуры разливки и меньшей пленки окис-
лов на поверхности жидкой стали, уменьшает пригар формо-
вочных смесей к отливке. При высокой-же температуре разлив-
ки, вследствие большой жидкотекучести, сталь с более высоким содер-
жанием углерода будет легче проникать в межзерновые промежутки
формовочных смесей и увеличивать пригар в отливке.
По производственным данным ряда заводов установлены следую-
щие средние температуры начала разливки стали в зависимости от со-
держания углерода: до 0,2% С 1605’; 0,21—0,30% С 1595°; 0,31—
0,50% С 1575s; при этом мягкая сталь требовала большего перегрева
в печи.
Рассмотрев, таким образом, влияние повышення содержания угле-
рода на ряд условий получения здоровых отливок, можно установить,
что во многих случаях практики, в особенности при изготовлении срав-
нительно тонкостенных отливок, — необходимо стремиться
к заливке сталью по возможности с более высоким со-
держанием углерода. Мининальное же содержание углерода,
определяемое па основании свойств углеродистой стали как литейного
материала, не должно опускаться ниже 0,20%.
Таким образом, обычная среднеуглеродистая с^аль, наиболее рас-
пространенная для отливок, изготовляется с содержанием углерода
в интервале от 0,20 до 0,45%. При этом нижний предел 0,20% С обу-
словливается ухудшением литейных свойств стали при дальнейшем по-
нижении содержания углерода; верхний же предел—0,45% С обуслов-
ливается понижением пластичности стали, без соответствующего уве-
личения предела текучести (для отожженной стели).
В практике приходится устанавливать содержание утлсрода, в со-
ответствии с назначением отливки, в первую очередь по влиянию угле-
рода не на литейные, а на механические свойства стали. Но, выбирз’я
содержание углерода по требованиям технических усчовий, нужно, как
правило, стремиться заливать сталью, во возможности, с более высо-
ким содержанием углерода.
Исключение-составляют только массивные отливки, а также отлив-
ки, предрасположенные по своей конструкции к образованию холодных
трещи». Также необходимо, при данных требованиях технических усло-
вий к механическим свойствам» выбирать сиаль по возможности с низ-
ким содержанием углерода для магнитно-мягких отливок электриче-
ских манит (0,20—0,25% С).
2. Содержание марганца и серы
«Сера и фосфор являются теми главными врагами,
. которыми металл у р г а м ч е р них металлов прихо-
дится иметь дело» |А А. Байков. |
Сера является наиболее вредной примесью в стали для фасонных
о»ливок, так как не только вызывает красноломкость и горячие трешины
в отливках, но ухудшает и различные показатели их механических
и иных свойств.
Уже очень давно всем металлургам известно, что досгатрчпо
0,01—0,02% S для того, чтобы вызвать в металле явления, красно-
ломкости. Поэтому только связывание серы в MnS и другие
сульфиды (A12S3, ZrSj, CaS). являющиеся зародышами кристаллизации
пли не располагающиеся в виде легкоплавких соединений и пленок ло
о48
Свойства стальных отливок и влияние нй них состава стали
границам зерен, — дает возможность получить отливку без трещин при
более высоком содержании серы
По стехиометрическому расчету для образовании MnS, необходимо
иметь марганца в 1,71 раза больше, чем серы,
FeS ЬМц .MnS-bFe;MnS =55 32= 1,71; Мп = 1.71S.
Однако, в действительности, для образования сложных сульфидов
с преобладающим содержанием MnS, необходимо, чтобы марганца бы
ло минимум (в четыре раза больше, чем серы. По многочисленным ис-
стедованиям при со-
держании серы в ста-
ли около 0,05% не-
обходимо иметь около
0,2—0,3 % Мп, чтобы
не было красноломко-
сти (рис. 378).
Но роль марганца
включается не только
в связывании серы.
Марганец должен еще
раскислять сталь, при-
чем это раскисление
должно быть достаточ-
но полным (до при-
садки кремния и алю-
миния). По известным
исследованиям в обла-
сти металлургии стали
Ряс. 378. Влияние содержания серы, кислорода
и марганца на красноломкость стали
для достаточно полно-
го раскисления стали с 0,2—0,3% С .необходимо иметь в ией около
0,5% Мп перед присадкой ферросилиция и алюминия. Следовательно,
1минимальное содержание марганца в стали для фасонных отливок
определяется суммой 0,5 +0,2 %—0,7% Мп.
Этот логически получаемый
минимум содержания марганца
подтверждается различными ис-
следованиями, доказывающими,
что при этом содержании мар-
ганца вся сера действительно на-
ходится в виде сложного суль-
фида (MnS)OT (FeS)„ с преобла-
дающим количеством MnS. Кро-
ме того, по приведенным ранее
данным, это содержание марган-
ца устанавливается как необхо-
димо минимальное для образова-
ния жидких неметаллических
включений при введении в сталь
0,2% Si (стр. 226).
Большое практическое зна-
чение необходимого содержания
8,<5 D,1802W2WSi. %
Рис. 379. Влияние содержант мар-
ганца и кремния на Арак отливок
из стали малого бессемерования
марганца в 0,7—0,8% прояв-
1яется особенно резко при сравнительно повышенном содержании се-
ры, например, в стали малого бессемерования, рис. 379 [153]
Можно также отметить в качестве примера из практики, что при
исследовании значитечьного количества магнитно .мягких оттивок кожу-
Отливки из среднеуглеродистой стам
549
Рнс. 3S0. Отливка простом
конфигурации (крышка кла
лапа), не дающая горячил
трещин прн галпвке сталью
с высоким содержанием
серы
хов для динамомашии, содержащих ~ 0,1% С, 0,2—0,л% Мп к ~ 0,05% Ъ
было обнаружено сильное поражение горячими трещинами всех отли-
вок (совместное влияние низкого содержания углерода, сравнительно
высокого серы и большого торможения усадки).
Низкое содержание марганца в стали обусловлено было его небла-
гоприятным влиянием на магнитные свойства. Заливка этих же отливок
сталью с 0,6—0,8% Мп дала почти полное отсутствие горячих трещин.
Допустимое содержание серы должно определяться ее влиянием
на красноломкость стали не только по какой-нибудь технологической
пробе (ковка лепешки, бруска), а по образованию горячих
трещин непосредственно в отливке.
О влиянии серы существует ряд противоречивых указаний
Например, уже давно систематическими исследованиями доказана
возможность прокатки стали, имеющей до 0,2% S, что подтверждается
и теперь прокаткой автоматной стати. В практике вообще считают, что
содержание серы до 0,1% не влияет существенно на результаты про-
катки в отношении красноломкости. Обобщая эти заключения, часто
считают также допустимым предельное содержание серы до 0,1 % и в
стали, предназначенной для фасовных отливок. Некоторые исследовате-
ли подчеркивают, что при содержании
серы в 0,06% отливки получаются совер-
шенно без трещин, и что это содержание
серы вообще не влияет на их образова-
ние. Вместе с тем известны различные
работы о том, что после десульфурации
бессемеровской стали содой возможно
понизить в ней содержание серы До
0,05—0,03% и этим значительно умень-
шить горячие трещины в отливках.
Все известные многочисленные про-
тиворечивые данные объясняются тем,
что в исследованиях обычно не со-
общается принятый метод формовки и
заливки и соответствующая конфигура-
ция исследуемых отливок
Правильными методами формовки
и заливки, уничтожающими сопротивле-
ние усадке со стороны формовочной н
стержневой смеси и обеспечивающими
равномерную подачу металла натлежа
щей температуры, можно получить от-
ливки без трещин и с повышенным со-
держанием серы в стали. С другой сто-
роны, отливки, не имеющие термических
узлов н резких переходив между раз-
личными сечениями, также можно, без
образования горячих трещин, заливать металлом с более высоким со-
держанием -еры
Для примера взята отливка весьма простой формы (крышка кла-
пана), имеющая прибыль, поставленную на прилив для прикрепления
болтов (рис. 680)
Отливка в процессе усадки в направлении, указанном стрелкой,
не подвержена никаким сопротивлениям формовочной смеси Она име-
ет благоприятную конфигурацию, не вызывающую образования горячих
трещин. Отливки подобной формы автору приходилось заливать сталью
550
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
с содержанием серы от 0,12 до 0,15%, имеющей явную красноломкость,
если судить по рваным краям прокованной лепешки.
По данным Ю. А Томина на Одесском заводе им Октябрьской
революции производилась массовая заливка плужных стоек из стали
чалого бессемерования с содержанием серы даже до 0.2% [154].
И здесь только простая конфигурация этих несложных отливок дает
возможность получать достаточно удовлетворительные результаты из
стали с таким исключительно высоким содержанием серы.
С другой стороны, известны в практике автора случаи образова-
ния горячих трещин в некоторых сложных отливк'ах, в месте сопряже-
ния толстой н тонкой части, несмотря на то, что принятыми при фор-
мовке мерам» было ликвидировано механическое торможение хсадки
Трещины образовывались, как только содержание серы превышало
0,05% [371 Также рассмотренными ранее исследованиями тонкостенных
отливок парораспределительной коробки (см. табл. 40) установлено
следующее влияние содержания серы на образование горячих трещин
(табл. 63).
Т 1 б л и ц а ЬЗ
Влияние содержания серы на образование горячих трещин и тонкостенных отливках
парораспределительных коробок
Т рещииы Нет трещин Небольшие надрывтг. . Большие трещнвы . . Содержание серы, Основная влектродуговая сталь Кисла и мартенов-
0,002 0,015 0,020 0,003 0,016 0,026 0,003 0,024 0,028 is । aeS 0,008 0,028 SS§ ©e*ds
Следовательно, для отливок парораспределительных коробок до-
статочно иметь около 0,03% S для того, чтобы получились горячие
трещины (приведенные данные показывают, что кислая мартеновская
сталь имеет некоторое преимущество перед основной дуговой электро-
сталью: она допускает более высокое содержание серы из-за более
благоприятной формы и распределения включений).
На основании этих и других, не рассматриваемых здесь данных
можно установить предельное содержание серы, учитывая методы фор-
мовки и соответствующую конфигурацию исследованных отливок
Можно рекомендовать следующие предельные содержания серы
в стали для фасонных отливок.
При наличии 0,7—0,8% Мп для большинства отливок из обыч-
ной стали допустимо содержание серы до 0,05% без опас-
ности появления горячих трещин в них как следстаие только явлений
красноломкости в металле.
Для тонкостенных отливок и вообще во всех случаях
большого механического торможения усадки, а также для отливик
сложной конфигурации с резким сопряжением товких и тол-
стых частей нужно рекомендовать предельное содержание
серы в 0,030%. При этом содержание марганца может быть пони-
жено до 0,60%.
Для простых же отливок несложной формы, не подвержен-
ных значительным деформациям в процессе усадки, содержание серы
может быть повышено до 0,1%. Необходимо только иметь в виду,
что для массивных отливок, даже несложной формы, содержа-
ние горы не должно превышать 0030% так же, кик тля самых
Отливки из срлдкгв.-лс радостен стали
551
с южных тонкостенных опивок Объясняется это большим развитием
ликвации серы. Даже при 0,03% S в такой простой массивной отлив-
ке, как шабот или валок, можно получить в срединных зонах отливки
с-, держание серы до 0,10% и, следовательно, возможность внутренних
гооячих трещин вследствие красноломкости стали.
Следует также подчеркнуть, что содержание серы даже в 0,05®/
вызывает, несмотря н'а правильную присадку алюминия, понижение
пластичности стали (см. рнс. 242 и 243).
Поэтому для ответственных отливок из конструкционной стали, не-
зависимо от влияния серы на красцоломкость, необходимо ограничить
ее содержание 0,030—0,035%. При более высоком содержании серы
дчя этих отливок необходимо Производить гомогенизацию, которая мо-
жет в некоторой степени раздробить пленку сульфидов-
s. Содержание фосфора
Фосфор вызывает хладноломкость стали, резкое понижение ее пла-
стичности при нормальной и низкой температуре. Обустовлено это
влияние наличием хрупкого твердого раствора фосфора в же тезе, фос
фидов железа, расположенных по границам зерен и в межосных проме-
жутках дендритов.
Вредное влияние фосфора проявляется тем резче,
чем выше содержание углерода в стали. При одном и том
Же абсолютном содержании фосфора, чем выше содержание углерода.
Тей выше получается концентрация фосфора в оставшемся, не связан-
ном с углеродом, железе. Поэтому в стали, легированной хромом и дру-
гими сильными карбидобразующими элементами, вредное влияние фос-
фора на хладноломкость будет менее заметно яри одинаковом с обыч-
ной сталью содержании углерода. Однако в легированной стали, осо-
бенно никелем и марганцем, фосфор, вследствие выделения субмикро-
скопических фосфидов, чрезвычайно резко повышает чувствительность
к хрупкости отпуска даже при содержании 0,03—0,05%.
В простой же углеродистой ствлн с низким содержанием углерода
(около 0,1%) даже 0,2% Р яе вызывает ни хрупкости отписка,
ни хладноломкости.
В мягкой стали фосфор, как это ни парадоксально, является даже
в известной степени легирующим элементом, так как повышает предел
упругости и сопротивление атмосферной коррозии. Поэтому в последнее
время в СССР и в других странах появились даже специальные марки
низкоуглеродистой (С ~0,1 %) конструкционной стали с повышенным
содержанием фосфора, до 0,15—0,20%, и с введен нем иногда даже ле-
гирующих элементов.
Отсутствие влияния фосфора на хрупкость при отпуске простой
углеродистой стали с низким содержанием углерода (около 0,1%) имеет
место только при скорости охлаждения выше 40—50°/час. Эта скорость
охлаждения является обычно минимальной в практике термической
обработки отливок из низкоуглеродистой стали. При меньшей же ско-
рости охлаждения хрупкость при отпуске обнаружена в отливках с тол-
щиной стенок даже менее 65 лиг,' залитых сталью с содержанием фос-
фора выше 0,05% при 0,12% С
Для иллюстрации механических свойств низкоуглеродистой Ci’a-ти
с повышенным содержанием фосфора можно привести следующие дан-
ные нз практики автора. Во время работы сломалось ходовое колесо
йостового крана. В изломе было обнаружено очепь крупнозернистое
строение, указывающее на неудовлетворительный отжиг. Оказалось,
что колесо было залито из стали малого бессемерования следюощего
состава, 0,11® С, 0|р»'е *=1 0 44% Мп, 0.18% Р и 0.05! % S.
552 Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
После отжига при 950° было получено уже мелкозернистое строе-
ние и следующие показатели механических свойств образцов, вырезан-
ных из колеса;
Образец кт/м м* 5я/ял-1{)0 % 4 0 *
До отжига Лосяе от- 20,0 27,4 73,0 4.3 0
жига . . 26,0 41,7 6?,0 33,2 59,0
С увеличением содержания углерода в стали с повышенным содер-
жанием фосфора пластичность и ударная вязкость катастрофически па-
дают, рис. 381.
Важио отметить, что, если и з6 повышаются по мере увеличе-
ния содержания фосфора как в сыром, так и в отожженном состоянии.
Рис. 381. Влияние фосфора на ме-
ханические свойства сырой в ото-
жженной среднеуглероджстой стало
(основной мартеновской. 0,25^ С)
то показатели пластичности (?
и ф) падают уже в сыром со-
стоянии. Следовательно, фосфор
в отливках увеличивает их хруп-
кость при остывании и способ-
ствует образованию холодных
трешин.
Из исследования также вид-
но, что .в отожженном состоянии
увеличивается отношение до
60—65%, а ударная вязкость
начинает резко падать лишь
с 0.07% Р Точно такое же влия-
ние фосфора на с* кгм!см~ опре-
делено и в стати малого бессе-
меровании, рис 382 [155].
На основе современных ис-
сдедований можно принять, что
для тонкостенных отливок, в за-
висимости от содержания угле-
рода, допустимы следующие со-
держания фосфора без резкого
влияния <на пластичность (при
нормальных температурах) (%)•
До 0,10
• 0,20
• 0.25
До 0,20
• 0,10
• 0,07
Широко распространено мнение, что повышение содержания фос-
фора ведет к образованию горячих трещин в отливках. Основанием для
этого являются часто наблюдаемые в практике факты более сильного
поражения отливок трещинами при звливке их кислой сталью из элек-
тродуговых печей и конвертеров малого бессемерования (иногда д'аже
из мартеновских печей) по сравнению с основной сталью. Теоретически
Отливки из срвдмуглвро&истой стали
553
твквя возможность влияния фосфора, уменьшающего доперлнтную
усадку стали, может быть выведена только из наблюдаемого расшире-
ния критического интервала температур образования горячих трещин
и резкого укрупнения строения прн первичной кристаллизации стали
с повышенным содержанием фосфора (рис. 383) [89].
В известных до сего времени систематических исследованиях влия
ния фосфора оно рассматривалось совместно с влиянием серы для ре-
шения вопроса об общих причинах по-
вышенного брака из-за трещин отти-
вок из кислой стали Так, например,
известны исследования, применившие
крестовин}' и решетку с резкими пе-
реходами между различными толщи-
нами стенок (табл. 64).
А1~0,1%) стали малого бессе-
мерования
Брел-* после запиЙ/ш,,сек
Рис. ЗВЗ1. Влияние фосфора
на расширение критиче-
ского интервала темпера-
тур образования горячи*
трещин (пластичность на-
чинает увеличиваться ирн
остывании лишь с 1240°;
гостив стали: 0.18% С и
П.072% Р>
Таблица 61
Образование горячих трашнн к отливках крестовины и решетки при заливае кислой
и основной сталью 1186]
Содержание в стали, »,0
Отливка
типы
IP SJ
ч.
Основная мартеновская .; ,
Кислая мартеновская . .
Основная мартеновская
Кислая мартеновская . .
Бессемеровская (чугун iu(
вагранки) . . ............
Бессемеровская (чу пн iy
миксера).................
Бессемеровская (ч*г*н ил
вагранки) . . . .
Бессемеровская (чу гун из
ыик<ерг)
4-Решетка
К peer евина
Решетка
Крестовина ।
Нет*
0.019
0,023
0,120
0.105
0,088
0,110
0,080
0,021
0,024
0,060
0.0Ю
0.166
0.052
О 180
0,051
0.015
0,156
0,133
0,053
0,013
0,103
J>,0Q3
S
На основании этих данных Барденгойер [156] и др. делают вывод.
VTo кислая сталь болве склонна к образованию горячих трещин, чем
основная, и что для их предотвращения необходимо иметь сумму
(Р + S) не более 0,1%.
Свойства стильных стмсяок и влияние ни них состава стали
Однако даже из этих исследований следует, что на образование
горячих трещин влияет не сумма (Р 4- S) % и не отдельное содержа-
ние фосфора, а только сера. Например, в кислой стали 6 и 8 прв
одинаковом, сравнительно высоком' содержании фосфора (0,088 и
0.080%) трещина не образуется в отливке из стали Кв '8, так как в ней
всего 0,013% S
Нельзя отождествлять влияние фосфора с влия-
нием серы, вызывающей красноломкость стали. Вклю-
чения сульфидов находятся по границам зерен и ослабляют межкри-
сталлическую прочность как при высоких, т*ак и при нормальных тем-
пературах. Фосфиды же, располагаясь по границам зерен и ослабляя
их при нормальной температуре, в области высоких температур обра-
зования горячих трещин Находятся в твердом растворе в аустените
Известно также, что, например, гаечное жеч^зо или пуддльбарсы
с высоким содержанием фосфора (до 0,3—0,4%) дают изделия с точ-
ными, острыми и ровными кромками после штамповки, что указывает
на полное отсутствие красноломкости.
Нельзя приписывать кислой стали в качестве ес органического де-
фекта повышенную способность к образованию горячих трещин в от-
ливках. Наоборот, при одинаковом содержании серы, вследствие более
благоприятной формы и распределения включений, кислая сталь, как
отмечалось ранее, отличается меныпей способностью к образованию
горячих трещин, чем основная.
Приведенные ранее исследования парораспределительных коробок
{стр. 550} доказывают предлагаемое заключение о преобладающем
влиянии серы, а не фосфора, на образование горячих трещин в отлив-
ках. Это заключение подтверждается также результатами исследования
тонкостенных отливок -цилиндрической формы, залитых при прочих
равных условиях статью с различным содержанием фосфора и серы
(см. табл. 65).
Таблица 65
Влияние серы м фосфора на образование горячих трешин
в тонкостенных цилиндрах тнва рис. 65
Число
отливок
в группе
Содержание элементов, %
S Р
Количество
отливок с го-
рячими трещи-
нами, %
в
305
24
6
0,036—0,055
0,054—0,062
0,037—0,055
0,005
0,^66—0,077
0,061-0,040
0,089
0,051—0.058
0.055—0,066
0,047—0,109
0,087
0,072-0,080
0,061 -0,063
0,060
Нет
10
17
100
Влияние фосфора н серы на качество отливок имеет особое значе-
ние потому, что часто определяет выбор типа плавильного
агрегата и метода ведения плавки. Можно безусловно
считать, что, при наличии чистых по фосфору и сере шихтовых мате-
риалов, кислая сталь во многих случаях имеет значительные преиму-
ства перед основной. Особенно велики технико-экономические преиму-
щества кислой стали.
а) В кислом пронес® плевки. вследствие меньшей активности шлаков, мокко
дать меньшее количество чугуна в’ шихту.
Кислые шлаки, более вязкие, чем о.-новиые, не увлекаются Так сильно Струей
жидкого металла. Равлйвчу tra.nir под ичелым шлаком можно свободно вести черва
носок ковпгя. предотвращая этим опасность загрязнения от-щнир utj tkq^hmh вклф-
Oriuaxu из средпяуглероЛилоЦ стили
УЛ
чек<ялж. Поэтому выбмрают кжлую сталь для конвейерного производства и вообще
для разливки сравнительно мелких сырых форм.
б) Кислая сталь всегда- горячее, чем основная, вследствие отсутствия обреме-
нительного толстогр покрова основного шлака и меньшей теплопроводности кислой
отипы Для уйл тения фосфора в процессе основной плавки нужны изцссгхоео-
железисТые шлаки, обогащающие мета т л окис-
шиг Высокое содержащие СаО в основных
шлаках делает рх густыми, плохо поглощающи-
ми всплывающие в металл «уиочеивя. Основные
шлаки подвергают сталь вторичному окислению
при выпуске и разливке, что дотолжгтельно
♦богащ&ет ее включениями и требует повышен-
ного расхода раркжлвтелей Кроме того, расход
ферросилиция Яри кг.чой шавке всегда меныос
из-за Некоторого 1 тановления кремния из
шлака 1и под-ийы.
Имеет также значение ж то предау щесэтк>
мклых шдахоз, чго они. в. отлжчне от основ-
ных, мало (разъедают футеровку ковшей и коль-
ца стопорного механизма.
в) Расход тока при плавке в кн&ж>й элек-
троду! овой печи обычно на 30% меньше, чем
в одшуэн^Д. цс гедстане медыдей длительности
или даже отсутствия окпеллтельвого м восста-
новительного периодов. Стоимость кислых мате
риалов футеровки и -набойки зяачнтелъио те-
шввве основных, а кладка, швариы и уход за
ними «наго проще.
Кроме того, кислые матерели легко пере-
носят изменение температур при последователь-
ном остывании и нагреве мечи. Это удлиняет
срок службы их и, -лавное. дает возможность
прерывной работы кислой иечм, в то время как
основные печн, вследствие известного свойства
магнезита трескаться прн охлаждении, должны
работать непрерывно
Последнее преимущество даеет самостоя-
гелыюе значение для иностранных литейных,
потому что за границей стоимость тока днем и
ночью различна. В наших же условиях это пре-
имущество может иметь значение толмсо для
тех фасонио-сталелитейных цехов машинострои-
тельных заводов, которые имеют возможности
выпуска жидкой стали в большем количестве
тем требуется для заливки форм.
Ос-новяым недостатком процесса кислой
плавки яэляется обогащение стали водородом
при многократном -переплаве и азотом, а воз-
можно, и дополнительно водородом, оря кремие-
восстаяоиктельном процессе Поетаму в стале-
литейных -с кислыми печами, во нэбеакааие
брака по ситовидной пористости и дикой стали,
необходимо систематически освежить шихту,
либо пер во диче сии -переходить на основной про-
нете. Основная плавка также неизбежна при
отсутствии чистой шихты, ври веобходююсти
иметь предельно -низкие содержания фосфора
и серы, при плавке низкоуглеролистых или мар-
ганцовистых марок стиля.
Для иллюстрации лучшей жидкоте-
кучести кислой стали и соответствующе-
го влияния фосфора можно привести
заполняемость «гребешков» яз круглых,
заливаемых сифоном прутков 3, 5, 7 н
Ю мм, -рис. 384.
Рис 384. Характеристика
жидкотекучести кислой
стали с содержанием Р
до 0,20% по заполняемости
специальной пробы «гре-
бешка» (температура вв-
ливкя 1550° то Пщкжгго).
Понижение жидкотекучести
сверх 0.13% Р объясняется
охлаждающим действием
FeP, присаживаемого в руч-
ные ковши
обычных стальных отливках из
(0,2—0,4% С) не должно
при С < 0,25 %)
Предельное содержание фосфора в
среднеуглерод истой стали
превышать 0,05—0,06% (до 0 07%
556
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Допустимое содержание фосфора понижается до 0,03% в легиро-
ванной конструкционной стали с высокими механическими свойствами.
а также в крупных отливках вследствие возможного развития большой
тиквации. В отливках из легиро-
ванной конструкционной стали име-
ет значение каждая 0,01 % Р, в осо-
бенности по увеличению чувстви-
тетьности к отпускной хрупкости,
рис. 385.
Для мало ответственных нзде
лий, не подвергающихся ударной
нагрузке и допускающих сталь с
содержанием до 0,06—0,07% Р, ли-
квация фосфора по исследованиям
М. А. Когана и Л. И. Леви (157)
не наблюдается до 75—ЮОлл* тол-
щины стенок ошибки
Рис. За5. Од С«СН1Ц । методом
больших чисел связь между содер-
жанием фосфора и чувствительно-
стью к отпускной хрупкости ДЛЯ
улучшенной марганцовистой стали
(0,45% С н 1,7% Мп) (посдр 129-
часового нагрева при 500°)
0,45% или до 0,55—0,65% (см. ст]
при высоком содержании газов (Н-
о,Of 0,02 0.03
(рОСфОр, %
6 ВО
I
60
1го
* 20
4. Содержание кремния и алюминия
Предельные содержания крем-
ния и алюминия, присаживаемых
для окончательного раскисления и
успокоения стали, должны рассма-
триваться совместно и устанавли-
ваться для основной мартеновской
стали на основе эмпирического
соотношения Si 4 4А1 = 0,35 до
). 186) При содержании S>0,03%,
и Ns), <при необходимости добиться
некоторого умельчения строения и уменьшения прокаливаемое™ стали,
приведенное уравнение уже не действительно и содержание алюминия
должно быть повышено до 0,10 я иногда до 0,15%.
Это предельное содержание алюминия, так же Как и 0,2— 0,45%
действительно не только для простой среднеуглероднстой, но и для
всех (марок конструкционной легированной стали
Необходимо, однако, отметить, что указанное высокое содержание
алюминия (0,10—0,15%) применяется только в исключительных слу
чаях, обычно при изготовлении отливок с большими поверхностями,
заливаемыми кислой электросталью в сырые формы. В отливках из ос-
новной стали с низким содержанием серы (со 0,03%) опасность эвтек-
тического расположения сульфидов и понижения из-за этого пластич-
ности мала. В таких отливках столь высокое содержание алюминия
может вызвать межкристаллитную хрупкость из-за включений ALO
Для массивных отливок, заливаемых в подсушенные или сухиг
формы сталью с малым содержанием водорода, столь высокое содер-
жание алюминия также вредно. Уменьшается диффузия атомарного
водорота, образуется отдельные участки с водородной хрупкостью.
удлиняется время низкотемпературного водородного отпуска.
5. Свойства и применение обычном среднеуглеродистой стали
в отливках
Для более полной характеристики разносторонних свойств отливок
из рассматриваемой наиболее распространенной среднеуглеродистой
стали сзедует привести еше некоторые данные разных исследований.
Отливки из ервднеуелеродисгой стали
557
Для сырой и отожженной среднеуглеродистой стали на рис. 386
и в табл. 66 приведены данные о пределе усталости при изгибе и кру-
чении
Таблйц^ 66
Механические свойств* обычной среднеуглеродистой стали (0,33 % С
0,77^ Мп) при кручении
Свойства при кручении
Состояние предел предел предел
упругости текучести v/ прочности кручения
кг/млв
Сырое литье . 17,2 24,3 42,5 460
Отожженное (925°' 18.0 1Х.1 41.9 840
11ормачнтованкси (V/i < 17,0 20,0 44,U J025
Из этих данных видно, что з''„ при кручении меньше, чем при растя-
жении, но это соотношение не выдерживается для з'3 и в сыром
состоянии стали. Сравнение yi-та кручения с показателями пластично-
сти показывает, что по отношению к ok существует более выраженная
зависимость, чем к 8 и • .
Механические свойства обычной углеродистой стали с 0,20. 0,33,
и 0,40% С при повышенных температурах представлены на рис. 387
Усматривается изменение , яд. и оА, определенных кратковре-
менным испытанием при различных повышенных температурах (до
600°) и различном содержании углерода, а также сопротивление пол-
зучести я„для длительного периода в 10000 час. при 0.1, I п 10% ос-
таточного удлинения.
В правой части рис. 387 представлены изменения этих свойств
после ковки, что дает возможность оценить одновременно и алияние
размера зерна. Как видно из рис. 387, углеродистая с^аль с более
крупным зерном имеет более высокое сопротивление ползучести, чем
*э8 Свойства стальных отливок и влияние на них Состава стали
с мелким, особенно вблизи эквикоэзиоиной температуры. Поэтому для
отливок, работающих при повышенных температурах, не следовало бы
применять никакой термической обработки и пускать их в эксплоатя-
цию сырыми, с наиболее крупным зерном. Но неравномерность строе-
ния сырой литой ста пи н нала-
чие литейных напряжений требу
ег известной термической обра-
ботки. Эта обработка должна
преследовать цель только полу-
чения равномерного строения,
по возможности с устойчивыми
карбидами, и уменьшения литей-
ных напряжений. Для этого до-
статочно нормального отжига.
Более сложная термическая об-
работка, норма тизация или
«улучшение», ведущая к повы-
шению механических свойств при
нормальных температурах, — ча-
сто не нужна и даже иногда
вредна для стальных отливок,
работающих при повышенных
температурах
Повышение со де ржа-
ния углерода й&кол'ько по-
вышает °r, и зл, определяемые
при кратковременных испытаны
ях, к понижает сопротив-
ление ползучести, особен-
но при большой предельной
деформации (3 =1,0 и 10%,
рис. 387).
Оензапи. ..биле.. . аклю-
О 200 ЧОО 600 200 ЧОО ООО
Тмпература^*С
Рнс. 387. Влияние содержания уг-
лерода и размера зерна н обычной
среднеуглеродистой стали на р,
о,- =* и на предел ползучести
при 0,1. I и 10% остаточного уд-
линения при различных температу-
чается в сфероидизации карбидов, происходящей при длительной выдерж
ке стали в области повышенных температур. В стали с более высоким со
держанием углерода, имеющей больше карбидов, будет и более заметное
относительное алияние сфероидизации на понижение предела ползучести.
При низких температурах службы отчивок иеобходп-
мо выбирать сталь по возможности с низким содержанием уг-
лерода и уже не с крупным, а, по возможности, с мелким зер-
ном. В этих условиях необходимо применять отливкн не й отожжен-
ном, а в закаленном и отпущенном состоянии.
Состав обычной среднеуглеро^исгой стали, наиболее распростра-
ненной для фасонных отливок, характеризуется:
а) Содержание угтерода от 0,2 до 0,45% определяется
в зависимости от требований технических условий на и с* кг/мм\ Ь
и с, % и ak кгм!см' и от принимаемого метода термической обработки
связанного с конфигурацией отливки и имеющимися производственными
возможностями. При этом для отливок, склонных к образованию горя
чих трещин устанавливается в интервале 0,20—0,45% по возможности
более высокое содержание углерода Для отливок же массивных или
склонных к образованию холодных трещин устанавливается возможно
более низкое содержание углерода Лишь в виде крайней меры борьбы
с горячими трещинами может быть допущено содержание углерода
ниже 0.15% (низкоуглеролистая сталь).
Отмани из сроднее .tepoducroii стали
MO
Т$) Содсржа-ние кремния «>т 0,2 до 0,455g и алюми-
ния от 0,02 до 005 иля 0,07—009 я выше, до 0,15%, в зввн-
симости от условий окончательного раскисления и успокоении стали,
поверхности охлаждения отливки, сырой или сухой формы, условий
разливки, содержании газов и серы в стали.
в) Содержание марганца от 0,7 до 0,9% в зависимости
от условий раскислении стали в печи до присадки ферромарганца, фер-
росилиция и алюминия п от содержания серы. При малое кислен ной
стали и низком содержании серы возможно понижение содержания
марганца до 0,6$.
г) Содержание серы ниже 0,03% и до 0,05% или даже
0,10% в зависимости ст конфигурации отливки, способа формовки и
требуемых показателей пластичности. Для отливок сложной конфигура-
ции, склонных к образованию горячих трещин, для отливок массивных,
хотя бы и простой формы, для отливок с высокой пластичностью и осо-
бенно из легированной стали содержание серы должно быть ниже
0,03%. Для обычных отливок без специальных требований к высокой
пластичности содержания серы допускается до 0,05% в, щ виде исклю-
чения, до 0,07%. Для неответственных отливок простой конфигурации
содержание серы может быть допущено до 0,1%.
д) Содержание фосфора ниже 0,03% или до 0,05 и
даже до 0,10—0,15% устанавливается в зависимости от требуемых
показателей пластичности я ударной вязкости, от содержания углерода
и конфигурации отливки. Для отливок с высокими механическими
свойствами, для отливок массивных или склонных к образованию холод-
ных трещин при содержании углерода выше 0,3% содержание фосфора
должно быть ниже 0,03%. Дли обычных отливок без специальных тре-
бований к высокой ударной вязкости содержание фосфора может быть
повышено до 0,05%, и, в виде исключения, до 0,07% (при содержании
углерода не выше 0,25%). Для простых неответственных отливок, не
подвергающихся воздействию ударных или частых знакопеременных
нагрузок, содержание фосфора допустимо до 0,1%, и ври низком со-
держании углерода (менее 0,20 ) до 0,12—0,15%.
Всякое изменение указанного состава обычной среднеуглеродистой
стали в части любого элемента следует рассматривать, как необходимое
только для какой-либо спел и а л ьной цели, для достижения каких-
либ > специальных физических или химических свойств отливок
Б. СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК
ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ СТАЛИ
1. Состав и свойства отливок из низкоуглеродистой стала
Низкоуглеродистой специальной сталью называ-
ется сталь с содержанием углерода ниже 0,20$, Отливки
из этой стали можно подвергать последующей цементации, что является
очной из специальных целей ее применения, кроме арматуры (стр- 546).
Поэтому низкоутлеродистая сталь широко применяется для отли-
вок, которые должны иметь тонкую цементованную твердую коркт
с высоким сопротивлением износу и одновременно вязкую сердцевину
Цементованная корКа должна иметь постепенный переход к вязкой
I Возможно отметит^ что английский Комитет иЛледованнй легированной ста-
ли относит к углеродистой сталь с содержанием Мп < 1.6%. И S1 < 0,6%. а амери-
канские ведомственные стандарты - стань с Мп < l.Q% В Si <0,6%.
им
Свойства Сталиных отловов и влияние на них состава стали
сердцевине и не отлетать в виде листочков. Такай сталь применяется
для изготовления шестерен, червячных колес, роликов, кулачков н тому
подобных изделий, подвергающихся значительному износу.
Рис 388. Влияние содержания углерода иа
механические свойства литой низкоуглеродистой
стали гга тонким пробным планкам в отожжен-
ном состоянии
Содержание углерода колеблется обычно от 0,09—0,16*? и влияет
на Механические свойства стали fe отожженном состоянии в Лйкостен-
пых отливках согласно даруым 1 рис. 388.
Средние механические свойства подобной стали в отливках с тол-
щиной стенок 40—50 мм. характеризуются следующими данными (ис-
следования автора):
Угол изгиба
т
। См. сноску на стр. 641.
Отливки, из ггюкоуглеровнстой стали
561
В низкоуглеродистой стали для цементуемых отливок важны ме-
ханические свойства именно в закаленном в воде состоянии. Высокий
отпуск нельзя применить для цементованного слоя во избежание поте-
рн им высокой твердости. Поэтому способность низкоуглеродистой ста-
ли после резкого охлаждения в воде и низкого отпуска давать высо-
кую пластичность является тем специальным свойством, которое опре-
деляет ее применение для цементуемых отливок
Высокая пластичность низкоуглеродистой стали после охлаждения
б воде объясняется ее строением, представляющим собой почти чис-
тый феррит с очень незначительным количеством перлита. В сыром
литом состоянии сталь отличается очень крупным зерном первичной
кристаллизации. После отжига строение стали становится более одно-
родным, но зерно заметно не умельчается.
Можно заключить, что при почти полном отсутствии перлита
в стали такое повышение механических свойств может итти только за
счет умельчено зерна, получающегося при нормализации или
закалке и затрудняющего образование плоскостей скольжения.
Приведенные механические свойства ннзкоуглеродистой стали ха-
рактеризуют ее как (металл, обладающий относительно низким преде-
лом упругости. Поэтому для сильно напряженных во время службы
и массивных цементующихся отливок применять низкоуглеродистую
сталь уже нельзя, ее заменяют никелевой (см. гл. XVIII).
Низкоуглеродистая сталь для цементуемых отливок применяется
следующего состава: 0,09—0,16 % С; 0,5—0,6% Мп; 0,15—0,25е/» S1 до
0,08% Р и не более 0,03% S.
Содержание углерода должно быть тем выше, чем массивнее от-
ливка, чтобы повысить ее прочность. Содержание марганца понижено
против применяемого в обычной стали для уменьшения опасности
роста зерна при перегреве стали и образования холодных трещин при
закалке. Содержание кремния также понижено вследствие неблагопри-
ятного его влияния на глубину проникания цементационного слоя
(кремний понижает растворимость углерода в железе). Содержание
фосфора допустимо до 0,08®/» вследствие низкого содержания углеро-
да. Содержание же серы не допускается свыше 0,03% вследствие лег-
кости образования горячих трещин из-за низкого содержания углерода
и марганца. Пониженное содержание кремния компенсируется избы-
точным количеством алюминия для успокоения стали.
На Уралмашзаводе до войны по предложению А. Д. Попова при-
менялась пемеитация отливок (шестерни с литым зубом, канатные
шкивы и т. п.) непосредственно в форме, при заливке ее ме-
таллом. Для этого модель обкладывалась не обычной песчано-глиня-
стой облицовочной формовочной смесью, а специальной смесью с до-
бавкой графита (60% песка; 10% глины; 30% графита) или измель-
ченного ферромарганца (60% песка; 10% глины; 30% ферромар-
ганца).
При заливке формы и отчасти при остывании отливки, пока сталь
находится в области у-твердого раствора, происходит путем диффу-
зии обогащение поверхностной корки отливки углеродом или марган-
цем. Поэтому данный процесс не может быть назван цементацией
в буквальном смысле, но Глубина твердого «цементованного» слоя до-
стигает 2 мм, что доствточно для практического использования от-
ливки.
Преимуществом этого спбсоба является ликвидация дорогого про-
цесса цементации. Недостатком его является необходимость получения
отливки без механической обработки наружной ее поверхности. Для
некоторых зубчатых колес с точным профилем и большим диаметром
36 31К, Т». ТО. А. НехеЧДВк
562
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
□адучить такие отливки в черновом виде чрезвычайно трудно из-за
колебаний литейной усадки. Применяемые в последнее время методы
диференцналыюй и поверхностной закалки также дешевы я обеспе-
чивают высокое качество отливок из обычной стали. Вместе с тем,
предложенный метод добавки в формовочную смесь графита или фер
росплавов имеет практическое значение и известное будущее, так
как обеспечивает получение отливок с достаточно твердой поверхно-
стью при мягкой сердцевине.
Следующая область применения низкоуглеродистой стали—отлив-
ки деталей машин электротехнической промышленности (кор-
пуса моторов, полюса, якоря и т. и.). Низкоуглеродистая сталь, вслед-
ствие низкого содержания углерода и марганца, обладает по вы шей-
ной магнитной проницаемостью и сравнительно малыми
ваттными потерями. В такой стали необходимо обратить особое
внимание на низкое содержание фосфора н серы, не выше 0,02—0,03%
порознь Независимо от влияния на потери, содержание серы должно
быть не свыше 0,03% из-за легкого образования горячих трещин в от
ливках (особенно в отливках корпусов, имеющих малую толщину сте-
нок н сравнительно большой диаметр).
Следует отметить применение ннзкоуглеродистой стали для нзготов-
Лення литых котлов Для плавки цинка.
Этн котлы имеют толщину стенки от 25 до 40 мм прн длине около
6 м. Было замечено, что котлы, изготовленные нз обычной стали,
быстро выходят из строя вследствие образования трещин. Исследова-
ния показали, что трещины в котлах образуются вблизи накипи на нчх
химических соединений цинка и кремния.
Эта Накипь обладает очень малой теплопроводностью по сравнс
нию со сталью, вследствие чего при нагревании и охлаждении кот юв
в Местах нахождения накипи образуются крупные термические напря-
жения, ведущие к образованию трещин. Поэтому, применяя для таких
котлов низкоуглероднстую сталь, в которой с «рудом образуются хо-
лодные трещины, нужно вместе с тем предотвратить образование
сложных соединений цинка с кремнием, ведущее к своеобразному
выщелачиванию кремния из стали. Следовательно, нужно изготовлять
такую сталь без кремния. Чтобы обеспечить получение спокоь«>!
стали, в нее вводят, вместо кремния, 6,12—0,18% А1.
2. Особенности изготовления отливок из ннзкоуглеродистой
стали в связи с ее литейными свойствами
Литейные свойства низкоуглеродистой стали мало удовлетвори-
тельны. Высокая температура плавления вызывает ряд трудностей
плавки, разливкя, получения качественной отливки. Понижение практи-
ческой жидкотекучести стали ведет к образованию -микроусадочных ра-
ковин, газовых и неметаллических включений. Для дополнительного
успокоения и раскисления стали, в конце разливки в струю стали необ
ходимо вводить ленту алюминия. Отливки из ннзкоуглеродистой стали
с малым содержанием марганца могут иметь горячие трещины, вслед-
ствие чего при формовке необходимо принимать особые меры по по-
датливости формы и быстрой выбивке отливки после заливки.
Кроме того, наполнен не формы необходимо производить с боль-
шей скоростью, для чего следует увеличить размеры Титниковой сис-
темы н прибылей.
Отлклки аз высжоугллродистой стали
да
В. СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК
ИЗ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ СТАЛИ
I. Состав и свойства отливок из высокоуглеродистой стали
Высокоуглеродистая специальная сталь имеет
содержание углерода выше 0,45—0,5%. Отливки из этой
стали еще недавно имели сравнительно ограниченное применение
в машиностроении. Основной специальной целью являлось изготовле-
ние отливок, подвергающихся износу без воздействия значительной
ударной нагрузки (валки для некоторых прокатных станов, шнеки для
сыпучих тел, шестерни с большим передаточным числом, плиты
и кольца бегунков для песка и глины н т. д.). Эти отливки подверга-
ются обычно только нормальному отжигу, так как даже при норма-
лизации в отливках сложной конфигурации из данной стали могут
образоваться крупные напряжения
В последнее время в сравнительно тонкостенных и несложных от-
ливках из высокоутлерод истой стали с содержанием до 0,45—0,55 % С
удается получить после закалки с отпуском на сорбит сравнительно
высокие механические свойства. В отливке толщиною до 25—30 мм
они характеризуются пределом упругости 45—50 кг!мм- при относи-
тельном сужении до 30—40%.
Эти свойства позволяют значительно расширить применение высп-
коуглеродистой стали, при условии принятия мер предосторожности от
образования холодных трещин в отливках. В частности, эти стали
приобретают большое значение в связи с развитием производства
осколочно-фугасных литых стальных снарядов, авиабомб и мин.
Микростроение высокоуглеродистой стали в литом сыром состоя-
нии характеризуется основной массой перлита с ферритовой оторочкой
по границам зерен первичной кристаллизации (см., например, рис 171)
После закалки с отпуском тонкостенной отливки можно получить рав-
номерное сорбиткое строеяие, как н в легированной конструкционной
стали. Благодаря тонкому распределению карбидов о* чостигает
70-80 кг/мм?. 9
Однвко применять высокоуглеродистуто сталь в качестве конструк-
ционного материала со значениями 0# больше 75—80 кг!мм2 все же
оказывается нерентабельным. Ее обрабатываемость хуже, а пластич-
ность меньше, чем у легированной стали с той же величиной аь.
Механические свойства правильно термически обработанной на
сорбит высокоуглеродистой стали (0,45—0.55% С) могут быть охарак-
теризованы по образцам, вырезанным непосредственно из отливки тол-
щиной около 30 мм, следующими высокими показателями (средние
данные автора из нескольких тысяч испытаний; закалка в воде с 820—
850° н отпуск при 550—600°)
а 45 — 50 кг'млР; □, = 50 — 55 кг]мМ*. с6 = 70 — 80 кг[мм*
°з1аь‘ 100=70%; ®ы=12— 15о/в; +=15—35%; а/, (Меявже) >2кгм[с^.
Влияние состава высокоуглеродистой стали, суммы (С 4-Мл) на
ря О, определенное при указанных испытаниях методолг больших чи-
сел, представлено на рис. 389.
С увеличением (С 4 Мп) % значения с р повышаются, а /, по-
нижаются. Брак по закалочным холодным трещинам в отливках резко
повышается с увеличением (C-f-Mn) %, сверх известной критической
величины. По мере повышения содержания углерода и марганца пони-
36”
564
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
жаются теплопроводность, тедоература- превращений г стала и повы-
шается ее хрупкость (рис. 390).
Из данных рис. 989 и 390 можно рекомендовав дЯЛ выс'окоугле-
родистой стали, подвергаемой закалке, оптимальную сумму (Q-f Mn)=
= 1,25%. При этом обеспечйвйютсй достаточно высокие показатели
Рис, 389. Влияние состава высокоуглеро-
дистой стали, суммы (С + Мп) % на по-
казатели ср И J в кокильных отлип-
ках толщиной до 30 лш (определено ме-
тодом больших чисел, отливки подверга-
лись закалке в .воде и отпуску
на сорбит)
Рис. 390. Влияние состава высоко-
углеродистой стали, суммы (С + Мп)
% на брак но закалочным (холод-
ным) трещинам отлнжж (цифры —
количество отливок)
и ац в сочетании с хорошей пластичностью и сравнительно бла-
гоприятные условия закалки, без значительного образования закалоч-
ных трещин.
Таким образом, высокоуглеродистая сталь с 0,45—0,55% С может
применяться как конструкционный материал только для сравнительно
тонкостенных и простой конфигурации отливок. Их нужно подвергать
резкой закалке в воде с отпуском на сорбит, прячем сумма (С + Мп)
не должна превышать 1,25%.
Следовательно, содержание марганца в аысокоуглеродистой стати
составляет как максимум 0,8% при 0,45% С н 0,7®/о при 0,55% С.
Содержание кремния и алюминия определяется на основе общих сооб-
ражений для обычной углеродистой стали. Содержание фосфора и cepii
допускается до 0,04—0,05% порознь, учитывая сравнительную Тонко-
стенность и простоту конфигурации заливаемых отливок. Лишь для
специальных случаев, когда стремятся специально сообщить хрупкость
изделию, например, для повышения осколочного действия снарядов,
умышленно допускают более высокое содержание фосфора и серы до
0,1% порознь.
Высокоуглеродистая сталь с более высоким содержанием угле-
рода, чем 0,55%, применяется для отливок, подвергаемых только нор-
мальному отжигу, и характеризуется механическими свойствами, усма-
триваемыми из рис. 391 [76J.
Эта сталь, в особенности при содержании углерода около и выше
1%, почти лишена пластичности. Подобная сталь применяется для от-
ливок, работающих на износ при безударной нагрузке, и для некото-
рых прокатных валков.
Основная трудность в изготовлении массивных валков (иа наших
заводах уже отливались валки весом до 90 т) заключается в образова-
нии внутренних горячих трещин, очень крупной кристаллизации
и больших напряжений. Весь термический центр отливки затвердевает
Отливкя из высокоуглеродистой стали
565
почти одновременно, но весьма медленно (например, в отливке валка
весом 35 т сердцевина была еще жидкой через 19 час. после звлнвкн).
В результате в большой срединной зоне отливки возникают внутрен-
ние усадочные рыхлости, внутренние горячие трещины и, при последу-
ющем остывании валка, крупные термические напряжения. Эти явде-
Рис. 391. Влияние углерода на механические свойства литой стаям после
нормального отжига
ния усугубляются еще большим раз итием процесса ликвации В от-
ливке массивного валка было, например, обнаружено Л. Монаховой
в верхней центральной зоне 1,32% С, 0,13% Р и 0,11% S [158].
В данном случае высокое содержание углерода в этой зоне объ-
ясняется не только ликвацией, но и прониканием науглероженного
металла из прибыли (после засыпки прибыли древесным углем). Но во
всех случаях строение валка в срединных зонах без принятия специ-
альных мер /5удет вызывать его хрупкость. Особую роль играют круп-
ные выделения карбидов, межкристаллитная пленка и микроусадочные
раковины по границам зерен в центральной части валка.
Для умельчения строения, кроме введения модификаторов в сталь,
необходимо применить тонкие внутренние холодильники. Полной лик-
видации рассмотренных дефектов отливки валков при этом достигнуть
вое же не удается. Поэтому более совершенным методом заливки
крупных валков следует считать способ центробежной заливки
с «динамическим затвердеванием» (вращение формы после заливки).
При этом способе заливки размельчаются кристаллиты во внут-
ренней зоне валка, уменьшается поражение ее ликвационными выделе-
ниями и мпкроусадочвыми раковинами, обеспечивается получение до-
статочно плотного металла. Но так как в процессе «динамического за-
твердев'ания» нет поступления жидкого металла из прибыли, то в от-
ливке валка неизбежно появленке усадочных раковин во внутренней
поздно затвердевающей зоне Расположение раковин по длине валка
зависит от скорости затвердевания цапф. При большой скорости
усадочная раковина располагается только в центральной зоне бочки
ц в этом виде не должна заметно отразиться на надежности службы
валка.
При обычной методе заливки валков в стационарные песчаные
формы усадочная раковина прн неправильном размере прибылей пора-
жает не только бочку, но и одну из цапф валка (см. рис. 75).
В стационарных формах облицовочная смесь, для уменьшения при-
гара, ускорения затвердевания и, следовательно, улучшения строении
5бб Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Рис 392, Строение грифвтнстой стали
(«графеил» —1.2% С, 0.87% Si. 0,05% S)
в отливке толщиной 12 мм (зернистый
перлит + отдельные, не полностью сфе-
роидизированные карбиды + графит + нит-
риды титана) (отливка трака английского
танка «Матильда»), Х800
делается из хромистого железняка. Вокрут бочки валка ставятся на-
ружные непрямые холодильники (толщиной около 70 ли*), Литнвк под-
водится к нижней цапфе по касательной. Заливка через литник идет
только до прибыли. Дальнейшая заливка ведется уже непосредственно!
п прибыль, что увеличивает эффективность ее действия. Через известяое
время после заливки доливают прибыль. Остывание валка в форме, на»-
грев и охлаждение его при отжиге производятся очень медленно, в те-
чение многих дней, чтобы уменьшить разницу температур между цент-
ром и краем отливки. Борьба с
напряжениями и холодными тре-
щинами является одной из «"сков-
ных задач при производстве вал-
ков.
В последнее время для от-
ливок начала применяться новая,
так называемая «г р а ф и т и-
стая» или «графитизирован-
ная» сталь, обладающая сочета-
нием свойств стали и чугуна. К
отливках из этой высокоутлерод
диетой стали, содержащей 1,5 % С
и 0,85—0,95% Si и называемой
поэтому также сталью «г р а ф-
с и л» (граф-Sil), после норма-
лизации и нагрева для графити-
зации углерод частично виде
ляется в виде равномерно рас-
пределенных мелких включений!
графита. Оставшиеся карбиды
сфероидизируются, рис 392.
Нормализация ведется с
870э, повторный нагрев на 79б^
с последующим медленным охла-
ждением в печи со скоростью 4,5°/час через критический интервал 595'.
Дальнейшее охлаждение может быть произведено на воздухе. При та-
кой обработке в стали получается около 0,5—0,7% С в виде графита
и около 0,8—1% С в виде сфероидизированных карбидов. В стали, кро-
ме того, содержится 0,в5—0,95% Si для обеспечения процесса графити-
зации, Мп ~ 0,4% для уменьшения напряжений, фосфора й сер»
0,03% порознь для обеспечения надлежащих свойств отливки й ее
графитизации.
Получаемая структура обеспечивает хорошую обрабатываемость-
отливок—такую же, как и у отливок из чугуна. Для улучшения обра-
батываемости иногда проводят дополнительный отжиг при 760°, до-
водя содержание графита до 0,9%. После механической обработки
производится вновь термическая обработка, закалки « отпуск. При на-
греве под закалку (815—870е) часть графита переходит в твердый рас-
твор. После резкой закалки в соленой (морской) воде получается высо-
кая твердость, 64-—67 Лс-Структура— мартенсит с отдельными рав-
номерно распределенными включениями графита. Этот оставшийся
иерастворенный графит в виде мелких дисперсных частиц играет роль
смазки при трении и обеспечивает малый коэфициент трения. Вслед-
ствие известной пористости стали, содержащей графит, вообще улуч-
шаются условия смазки. При имеющейся высокой твердости стали по-
лучается идеальное сочетание для условий рь[ одного сопротив-
ления и з и о с у.
Отливки из выоокоуглеродистай стали
567
Наличие включений графита, понижая модуль упругости и облег-
чая пластические деформации, оказывает также влияние на известное
уменьшение напряжений при закалке. Кроме того, увеличивается спо-
собность к затуханию вибраций, как в чугуне. Отливкн штампов и пу-
ансонов из этой стали показали износостойкость в несколько раз более
высокую, чем кованые из легированной стали.
Так как применение отлнпок из этой стали в закаленном На мар-
тенсит состоянии вызывает все же, несмотря на присутствие графита,
опасность образования холодных трещин н меньшего сопротивления
износу, то обычно допускают низкий отпуск. При проведении такого
отпуска на 150—200 или даже 370° в отливке сохраняется еще доста-
точно высокая твердость, 63—55 Rc.
Для более массивных отливок, или для отливок сложной конфигу-
рации, переносящих закалку только в более мягкой среде, чем соленая
вода, например, в масле,—нужно повысить прокаливаемость стали.
С этой целью в высокоуглеродистую сталь вводят 0,25% Мо и умень
шают содержание кремния до 0,7—0,8, получ’ая марку стали под на-
званием «граф м о» (граф-Мо). После закалки в масле с 840—845
получается твердость выше 66 Я с» но трещин в отливке не образуется.
Для дальнейшего повышения сопротивления износу путем допол
нательного влияния специальных карбидов, вводят в рассматриваемую
сталь вольфрам. Получается при присадке 0,5% Мо и 2,6—3,0 W
и понижении Si до 0,8—0,7 % марка «г р а ф т у н г» («тунг» — от
вольфрама Tungsten), дающая твердость 64 65 Rc посте закалки
в масле.
Для отливок, подвергаемых большим ударам, применяют поверх-
ностную закалку для обеспечения сочетания высокой твердости на-
ружной поверхности с пластичной сердцевиной. В сталь вводят
0,2% АТ как графитнзатора, уменьшают Si до 0,20—0,45% н получают
после цементации и закалки твердость 68—69 R на наружной поверх-
ности и 38—40 Лево внутренних зонах (марка стали «гр а фа ль»,
граф-А1).
Наконец, для очень сложных или массивных отливок, которые до-
пускают скорость охлаждения только на воздухе, нужно иметь «само-
закаливающуюся» сталь мартенситного класса. Сохраняя то же содер-
жание углерода (С ~[,5%>, в сталь вводят 1,25% Si, 1,5*/« Мп,
0,5% Мо, 1,75% Ni и 0,35% Сг, получая марку «графэмэнэс»
(граф-MNS, от М—марганец, N — никель, S—.кремний). Эта сталь
закаливается при охлаждении на воздухе в первый раз с 900°, а во
второй с 845°, приобретая твердость 63—64 R с .
Необходимо отметить еще одну область применения высоуглеро-
дистой стали, связанную с ее способностью, вследствие высокой твер-
дости, принимать хорошую полировку, давая блестящую, гладкую по-
верхность. Ее применяют для отливки валков, проглаживающих особо
тонкие сорта бумаги.
2. Особенности изготовления отливок из высокоуглеродистой стали
в связи с литейными свойствами
Литейные свойства высокоуглерочистой стали весьма благопри-
ятны, так как позволяют применять низкие температуры разливки. Эта
сталь обладает низкой температурой плавления, большим интервалом
затвердевания и хорошей практической жидкотекучестью. При низких
температурах заливки в отливках получается малый пригар формо-
вочных материалов. Вследствие малой доперлитной усадки опасность
образования горячих трещин сравнительно мала. Однако низкая теп-
лопроводность и большая хрупкость высокоуглероднстой стали вызы-
568
Свойства стальных отливок и влияние на >шх состава стали
вает появление в отливках больших напряжений с опасностью обра-
зования холодных трещин. Поэтому, в противоположность отливкам из
ннзкоуглеродистой стали, отливки из высокоуглеродистой стали нельзя
подвергать ранней выбивке в области высоких температур. Отливку
следует медленно охлаждать в опоке. Например, отливки валков ве-
сом даже 3 т выдерживаются в форме не менее трех дней.
Из-за малой теплопроводности стали отрезку прибылей у массив-
ных отливок нельзя производить кислородно-ацетиленовым пламенен,
как это принято для средиеуглеродистой стали. Отрезку прибылей ре-
комендуется производить на станках, после смягчающего отжнга ст-
ливок.
ГЛАВА XVII
ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ ИЗ КРЕМНИСТОЙ
И МАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ
I. ОТЛИВКИ ИЗ КРЕМНИСТОЙ СТАЛИ
Как известно, кремний принадлежит к элементам, сужающим об-
ласть y-Fe, и может растворяться в цементите до 5%. Область
T-Fe замыкается при 1,7% Si- При более высоком содержании крем-
ния, зависимом от содержании углерода, получается чисто ферритная
сталь, имеющая однофазное ферритное строение при всех температу-
рах.
Все элементы, повышающие точку Ас3 и Аг3, могут увеличивать
критическую скорость закалки, так как при более высоких температу-
рах больше подвижность атомов и легче происходит превращение
Рис. 393. Влияние кремния ва увелнченке
прокаливаемое™ стали с 0,8% С
!-► а. Поэтому можно полагать, что кремний не увеличивает прока-
ливаемость стали. Вместе с тем известно, что кремний применяется
как легирующий элемент, влияющий на понижение критической ско-
рости закалки и улучшающий прокаливаемое™ стали. Объясняется
это тем, что кремний может входить в раствор цементита, затрудняя
выделение и коагуляцию получающихся сложных карбидов.
Это влияние кремния на повышение прокалив'аемостн имеет место
только при содержании его выше 0,4% и при одновременно достаточ-
но высоком содержании углерода, рис. 393.
При О,4с/о Si наблюдается резкое, скачком, повышение прокали-
ваемое™ стали (даже при сравнительно низких температурах за-
калки). Таким образом, подтверждается принятое выше положение,
что легирующее влияние кремния следует рассматривать только при
повышении его содержания свыше 0,4—0,5%. Обычное же содержание
570 Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
кремния в пределах 0,2—0,5*/е обеспечивает только полное раскисление
и успокоение стали, а также улучшает ее жидкотекучесть.
Рассматриваемое влияние содержания кремния выше 0,5% на по-
вышение прокаливаемости стали вследствие нахождении кремния ча-
стично в растворе в цементите иллюстрируется также исследованием
сравнительной прокаливаемое™ хромокремнистой и чисто хромистой
стали идентичного состава (~0,9% С, ~ 1,0% Сг н 1,47% Si и 0,28 %
соответственно). При закалке цилиндров диаметром 80 мм из стали
этих марок глубина прокаливаемое™ получена одинаковой (25—28 мм
в воде и 6—7 мм в масле). Следовательно, увеличение содержания
кремния да 1.47% < 0,28% не вызвало увеличения прокаливаемое™
В углеродистой же стали, без хрома, увеличение прокаливаемости при
таком повышений содержания кремний весьма значительно (рис. 393).
Объясняется это тем, что в хромокремнистой стали известная часть
углерода связана в специальных карбидах хрома. Кремний в этих кар-
бидах уже не растворяется так, как в цементите, и поэтому не -может
влиять на повышение прокаливаемости.
На основании данных о влиянии кремния можно в кратком виде
установить следующие принципиальные положения для выбора состава
кремнистой стали соответственно назначению отливок
а) Низколегированные кремнистые конструкци-
онные стали должны применяться для отливок, характеризую-
щихся повышенными механическими свойствами; выби-
раемый состав стали должен обязательно обеспечить полные фазовые
превращения и после соответствующей термической обработки сорбит-
ное строение, оптимальное для сочетания наиболее высоких показателей
н оЛ с пластичностью.
б) Среднелегнрованные кремнистые ферритные
стали должны применяться для отливок со специальными фи-
зическими свойствами; состав стали должен обеспечить при
определенном соотношении содержания кремния и углерода полное от-
сутствие фазовых превращений (ферритное строение стали).
в) Высоколегированные кремнистые сплавы с высо-
ким содержанием -кремния должны применяться для отливок, облада-
ющих специальными химическими свойствами Такне сплавы бу-
дут характеризоваться эвтектическим строением вследствие очень рез-
кого влияния кремния на передвижение влево эвтектической точки.
А. СВОЙСТВА ОТЛИВОК ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ
КРЕМНИСТОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
Конструкционная кремнистая сталь с высокими механическими
свойствами должна иметь такое соотношение кремния н углерода,
чтобы обеспечить при нагреве во время термической обработки аусте-
нитное строение, а при последующем охлаждении соответствующую
степень дисперсности продуктов распада этого аустенита.
При одновременном увеличении содержания кремния и углерода
сверх определенных критических значений возможно распадение кар-
бидов с выделением графита и получение так называемого «черного
излома» стали. Виде теине графита понижает пластичность стати,
сообщая ей так называемую «ч е р н о л о м к о с т ь» (рис 394).
Очевидно, что составы конструкционной кремнистой стали долж-
ны лежать в области перлитных сталей и вне заштрихованной зоны
«черного излома». Например, сталь с 0,5% С и 2% Si не может при-
меняться как конструкционный материал, так как характеризуется
«черноломкостью».
Отливки из кремнистой стали
371
На основе влияния кремния на увеличение прочности феррита, на
повышение прокаливаемоети и на получение области «черноломкой»
стали можно установить две группы конструкционной низколегирован-
ной кремнистой стали, имеющие
практическое применение для отли-
вок.
Первая группа: низко угле-
род и стая конструкционная крем-
нистая сталь, содержащая 0,1—
02% С и~ 1% Si
Вторая группа: высокоуг-
леродистая конструкционная
кремнистая сталь, содержащая
0,40—0,50% С и 1,4—1,6% Si (иа
рис. 394 зачернены).
I. Свойства отливок
из низкоуглеродистой
кремнистой стали
Ниэкоуглеродистая кремнистая
сталь отличается тем, что имеет
повы шейные пределы уп-
ругости и прочности. По
сравнению с углеродистой сталью,
в которой для достижения тех же
значений °, и требуется более
высокое содержание углерода, низ-
коуглеродистая кремнистая сталь
обладает лучшей пластично-
стью. Это объясняется тем, что
углерода почти полностью растворен в феррите, искажает его кристал-
лическую решетку и этим повышает и ah. Строение подобной
кремнистой стали по сравнению с углеродистой, обладающей таким же
характеризуется большим количеством феррита (ниже содержание
углерода), и, следовательно, обеспечивает лучшую пластичность [58].
В стали же с содержанием углерода выше 0,2% и, значит, с мень-
шим количеством феррита, подобное благотворное влияние кремния
на повышение и прн сохранении хорошей пластичности уже
проявиться не может, рнс. 395.
Рис. 394. Влияние совместного со-
держания кремния и углерода на
появление «черного излом» в ста-
ли (заштриховано) и влияние крем-
ния иа передвижение влево кон-
центрационной и звтектоидво! то-
чек. Зачернены составы применяе-
мой для отливок конструкционной
кремнистой стали
кремний при низком содержания
Ри$, 396. Влвэвке кремния не механические своА-
ства низкоуглеродистой (0,20 % С) кремнистой
стали в отожженном состоянии
572
Свойства стальных отливок и влияние на нах состава стали
Свойства низкоутлеродистой кремнистой стали определяют ее при-
менение дли отливок с высокой пластичностью и требованиями к
около 30—35 кг/мм1. В отливках из этой стали после нормализации
(с 950—980°) механические свойства характеризуются следующими по
казателями ио данным автора:
30 № ж и2; аь — 50 кг цм-у • 100 — 60п
8, -^30 — 40*4;, ? — 4С| — 55'4; аДМенаже) > 8 кгм см1.
На основе многочисленных исследований можно считать, что при
одинаков?м пределу прочности пластичность и вязкость у кремнистой
Ц«й’-
fihiK) ~‘г
7^q.-g;S= 0,5Бмм/сб.
„С*ер-ч>-22м* без паЗти-
1820 35 30 35 ЧО 45
Скорость рлзснц» К. л</лк1к
Рис. 396. Сравнительная вбрйбгтывйемость крем-
нистой литой стала (1,23% Si; оь =68 кг/лн»)
с «глероднетой’, имеющей одинаковое
(0.36% Si; з* == 58,7 кг/ж*2)
стали примерно в полтора раза выше, чем у углеродистой. При одина-
ковой же пластичности предел упругости на 6—7 де/жл* выше (при-
мерно на 25—30*/о). Эти свойства определяют известные преимущества
кремнистой стали как конструкционного материала: опи сообщают ей
также лучшую обрабатываемость, рис. 396.
ио ыыпъммзы 1,гг%м>
Рис. 397. Содостааление сопротивления износу
кремнистой стали с углеродистой, имеющей
одиакоэое я® кг/мм1
Отливки из кремнистой сталц.
573
При изменении температур механические свойства изменяются
Так же, как и у углеродистой стали, сохраняя только несколько бдль1
шие показатели пластичности. Это имеет известное значение для усло-
вий службы отливок при низких температурах.
Предел усталости и сопротивление износу у низкоуглероднстой
кремнистой стали выше, чем у углеродистой с тем же ?ь, в особенно-
сти, если сталь имеет повышенное содержание марганца (марганце»
кремнистая сталь) или титана (умельчающего зерно) (рис. 397).
2. Свойства отливок из высокоуглеродистой кремнистой стали
Составы высокоуглеродистой кремнистой стали, как усматривается
из рис. 394, лежат в области верхнего возможного предела содержания
кремния прн содержании углерода около 0,5%. Кремнистая конструк-
ционная сталь обычно не содержит выше 0,5% С потому, что даже для
простой углеродистой стали, как указывалось ранее, дальнейшее повы-
шение содержания углерода не вызывает повышения предела упруго-
сти при нормальном отжиге отливок. Ограничивая, следовательно,
верхний предел содержания углерода в конструкционной кремнистой
стали в 0,5%, можно на основании данных рис. 394 ио области «чер-
ноломких» сталей определить максимальное содержание кремния
в 1,4—1,6% (зачернёйо нй рис. 394).
При таком содержаний кремния концентрация углерода в перлите
понижается уже ‘ДО 0,65g Вследепяе feroro с-таль с содержанием
С-0,5% следует отнести к группе высокоуглеродистой [58] (рис. 398).
Рис. 398. Строение и свойства высокоуглеродисюй кремнистой ста^и
(0,46% С и 1,48% Si)
№ Термич обработка л, кг ил’ -ь,кгмм‘ i,. % т. К
I Сырая 37,4 51.Я 1,4 О
2 »30 г» I 2,В 78,0 12,7 10.0
3 020а + аЗОр + ббОл 4S.J 77,8 18,0 13,6
Как видно, количество перлита в строении стали значительно
большее, чем можно было бы оценить по содержанию 0,46% С для
простой углеродистой стали. Соответственно этому в высокоуглероди-
стой Кремнистой стали получается интенсивное возрастание
Sj и о £ соответствующим падением пластичности,
как усматривается из следующих средних, показателей по мсследом-
нию [58]:
Sj 40—50 кг мН*, вь 70—89 кг мМ*\ — 100=60%,
V 12-18%; Ф 10—15%; а„ (Мснаже)>2 «гм см2.
S74
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Приведенные данные относятся к стали в отожженном состоянии.
После улучшения возможно некоторое, хотя и сравнительно незначи-
тельное, повышение механических свойств (см. рис. 436).
Высокоуглеродистая кремнистая конструкционная сталь харак-
терна также, наряду с большим сопротивлением пластическим дефор-
мациям, — и большим Сопротивлением износу, особенно
в пыльной атмосфере. Благодаря этому из такой стали отливают бе
гунки кранов, различные шестерни, работающие в размольных устрой-
ствах, и т. д. Например, в практике автора бегунок мостового крана
литейного цеха из кремнистой стали выдержал 38000 км пробега, а из
углеродистой только 6000 км.
При применении высокоуглероднстой кремнистой стали можно об-
легчить вес конструкции, так как предел упругости стали в отожжен-
ном состоянии, 45—50 кг'мм2, настолько высок, что соответствует
пределу прочности простой среднеуглеродистой стали.
Отжиг отливок из кремнистой ст'али должен производиться при
температурах более высоких, чем принимается обычно для углероди-
стой стали с тем же содержанием углерода, достигая 930—960° С.
Б. ОТЛИВКИ ИЗ СРЕДНЕЛЕГИРОВАННОЙ КРЕМНИСТОЙ
СТАЛИ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ
И ХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Как указывалось, кремний повышает электросопротивление почти
так же, ко« и другие элементы, одновременно значительно улучшай
магнитную проницаемость. Это является тем основным специаль-
ным физическим свойством, которое определяет применение среднеле-
гированной кремнистой стали для всех деталей электрических машин,
работающих в условиях минимальных потерь на гистерезис и большой
магнитной проницаемости при матой коэрцитивной силе. Такая специ-
альная кремнистая динамная или трансформаторная
сталь, содержащая 1,5—2,0% и до 3,5—4,0% Si, для фасонных отли-
вок имеет сравнительно ограниченное применение вследствие неболь-
шого ассортимента соответствующих литых деталей. Для определения
состава рассматриваемой стали необходимо обратиться к исследова-
ниям потерь на гистерезис в зависимости от содержания углерога
и кремния.
По мере повышения даже очень малых содержаний углерода, по-
тери на гистерезис возрастают чрезвычайно резко. Необходимо под-
черкнуть, что не только каждая сотая, но даже тысячная доля содер-
жания углерода оказывает заметное влияние на ваттные потери крем-
нистой стали. Вредное влияние углерода может в некоторой мере ком
пенсироваться известным повышением содержания кремния. Так, на-
пример, при содержании кремния 4%, начиная с 0,08% С потерн почти
не изменяются. На этом основании применяемая сталь содержит до
4% Si при максима льном содержании углерода всего в 0,08% (выше
0,08% С начинается частвчная графитизация). При таком содержании
кремния н углерода сталь обладает чисто ферритным и сравнительно
крупнозернистым строением при первичной кристаллизации. Для ука-
занных условий службы отливок крупное зерно весьма желательно, по-
скольку наличие напряженных участков и разных включений по гра-
ницам зерен увеличивает магнитные потери. В соответствии с этим
требованием следует добиваться очень медленного охлаждения отливок
в периоде их первичной кристаллизации, памятуя о том, что основным
условием службы отливок являются их специальные физические, а не
высокие механические свойства.
Отливки из кремнистой стали
575
Находясь в окислительной среде при высокой температуре, крем-
нистая сталь покрывается пленкой окислов. Замечено, что сталь с 2 н
4?о Si при отпуске на 500—600° дает цвета побежалости, характерные
для простой углеродистой стали при нагреве только до 250°. Йсследо-
в.шие стали . 1% Si. находившемся несколько часов при темпера
туре 800°, показало, что в образовавшейся окалине находится
50% SiO2. Образующаяся пленка SiO2 должна в известной мере пред-
охранить основную массу изделия от последующего окисления.
Однако получающийся плотный слой окалины, в котором скислы
S1O2 яаляются главной составной частью, легко отстает при охлажде-
нии изделия. Это является недостатком, так как вновь обнажается чн
стый металл. Такой легко отстающий плотный слой оКалины назы-
вается в практике «кремневой шубой». Поэтому увеличение содержа
ния кремния само по себе еще не может повысить огнестойкость
стали. По иследованиям автора над литыми пластинками из стали с со-
держанием от I до 6% Si, подвергавшимися выдержке в окислитель
ной атмосфере 120 час при различных температурах, кремнистая сталь
не обладает жаростойкостью даже при 700'*. При совместном влиянии
кремния и хрома плотная птенка окислов уже прочно соединена с ме-
таллом и влияние кремния на жаростойкость становится положитель-
ным, рис. 368.
Повышение жароегойкостк наблюдается тем резче, чем выше со-
держание кремния п хрома одновременно или выше содержание крем-
ния при данном постоянном содержании хрома. Получаемая сталь
С достаточно высокой жаростойкостью (до 900°) является таким обра
зон комбинированной, легированной одновременно хромом и кремнием.
Поэтому такие стали называются «си л ь х ро м а м и».
Содержание кремния в сильхроме обычно не превышает 3—4%.
Так как ведущим элементом снльхромов является хром, то свойства
их рассматриваются ниже, в главе о свойствах хромистых сталей.
В. ОТЛИВКИ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОЙ КРЕМНИСТОЙ
СТАЛИ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ ХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Как известно из диаграммы состояний железо — кремний, при-
мерно до 22n/o Si существует непрерывный ряд твердых растворов за-
мещения. Однако рентгенографические исследования литых железо-
кремнистых сплавов, залитых в
песчаную и металлическую фор-
му, показывают внезапное изме
пение параметров решетки, начи-
ная с 12—14% Si (рис 399)[159].
При дальнейшем повышении
кремния в криста т.пической ре-
шетке прекращается равномер-
ное замещение атомов железа
атомами кремния. Образуются
интерметаллические соединения
типа FemSiB (силициды), разли-
чаемые только при сравнительно
медленном охлаждении отливки.
Рнс. 399. Влияние кремния щ Еирамес
ры кристаллической решетки а-фазы
рис. 400.
Вследствие этого, при 12% Si
наблюдается значительное повы-
шение антикоррозийных свойств
кремнистой стали, с одновременным резким понижением их пластич-
ности.
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Высоколегированные кремнистые сплавы противостоят коррозии
во всех кислотах за исключением соляной и фтористоводородной.
Особую ценность имеет высокая антикоррозионная стойкость этих
Рис. 400. Строение высоколегированного крем-
нистого сплава (16% SI и 0.6% С) пре ылввке
в песчаную (слева) и в металлическую форму
(справа)
сплавов в горячей серной кислоте, что часто определяет их применение
для соответствующих отливок химической промышленности вместо дру-
гой кислотоупорной стали. При этом необходимо иметь в виду, что
Рис. 401. Влияние крсши
пл повышение солротявленгя
коррозии в горячек серной
кислоте
даже в интервале 12—16% Si, чем выше
содержание кремния, тем выше сопро-
тивление коррозии, рис. 401.
Таким образом, содержание кремния
в кислотоупорной стали должно быть
14—16 и до 18%. Но при этом содер-
жании кремния даже обычное в ствли
содержание углерода в 0,2—0,5% опре-
деляет получение сплава, имеющего уже
эвтектику в строении. Так велико из-
вестное влияние кремния на передвиже-
ние влево эвтектической точки.
При 14—16% Si достаточно иметь
около 0,5—0,6% С для того, чтобы по-
лучить полностью эвтектическое строе-
ние, т. е. иметь не сталь, а по существу
чугун. Поэтому сплавы с подобным со-
держанием кремния, характеризуясь ос-
новными свойствами чугуна, обладают
низкой температурой плавления и срав-
нительно большой хрупкостью. Нанлуч-
шее же сочетание свойств сплав полу-
чает при чисто эвтектическом СТрое-
нии, когда содержание углерода опреде-
ляется соответствующим содержанием
кремния, рнс. 402 1160}.
В условиях получения диаграммы
состояний рис. 402 эвтектическое содер-
жание углерода 0,65%. Если иметь в сплаве 0,25—0,4% С (при
Отливки из кремнистой стали
15% Si), то в отливках будет большое количество горячих трещин.
В интервале до 0,65% С сплавы склонны к сильному развитию уса-
дочных раковин, а выше 0,65% С выделяется свободный графит, иног-
да даже в виде «спели». Выделение графита понижает кислотоупор-
ные свойства сплава и часто ведет к пористости отливок, что не дает
возможности применить нх для работы под давлением.
Вместе с тем основной областью применения высоколегированных
кремнистых сплавов являются авток.Тавы, конденсаторы, детали насо-
1500
ИМ
Ъчхо
oj 0.2
[—| Горячие трещины
[УЧ Большая усадка
(7Я Мелкое зерно
о - Нет Выделения графита
, Т-Сдепь
0,7 О.В 0,9 1,0
Рис. 402. Псеедобянарная диаграмма состояний железокремнеугле-
родистых сплавов в производственных условиях для содержания
1Б% Si « 0,65% С и влияние состава и температуры заливки на
получение здорово# отливки
сов, клапаны, трубы, сосуды для кислот, перегонные кубы, башни для
производства серной кислоты и т. п. Эти сплавы обладают высокой
твердостью — до 500 Я в. вследствие чего практически не могут
подвергаться механической обработке. Допускается
только шлифовка или небольшая обработка сверхтвердыми сплавами.
Все дыры, пазы и внутренние полости в отливке должны выполняться
только путем установки стержней.
Благодаря высокой твердости эти сплавы обладают высоким
сопротивлением эрозии. В одинаковых условиях эрозии были
испытаны трубы; обычные стальные, футерованные фарфором и нз
высококремнистого сплава. Последние пропустили 500 000 т материа-
лов, в то время как другие трубы только 6000 и 50000 г соответствен-
но [159].
В разных странах рассматриваемые сплавы, могущие применяться
только в литом состоянии, получили различные названия (условные,
с целью засекречивания состава: в США дурайрон (Duriron), в Ан-
глии тантайрон (Tantiron), айронак (Ironak) и др., в Германии термн-
силид, эксилид, азидур и др.). У нас эти сплавы уже давно весьма пол-
но исследованы С. В. Малашенко, В. Е. Васильевым и К- И. Ващенко
и известны под названием «ферросилид», силекс» или «УС-14-18»
(У — углерод, С — кремний).
По существу все эти многочисленные марки характеризуются со-
держаниями: 0,3—0,7% С при 18—14% Si; 0,3—0,5% Мп; 0,05—
0,15% Р и 0,02—0,05% S (за исключением тантвйроНа, имеющего
1,2—2,5% Мп). Повышение содержания углерода немного выше эв-
тектического, в пределах, не вызывающих появления отдельных круп-
ных включений грифнта,— бывает иногда желательным. Небольшое
количество графита сможет немного улучшить обрабатываемость
37 Зек. 70. Ю. А. Нехемдзн
578
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
сплава, уменьшить его хрупкость и термические напряжения в отливке
[58], рис. 403.
Механические свойства сплава чрезвычайно низки, хуже, чем
у серого чугуна (предел прочности при изгибе всего 15—25 кг/мм2
при стреле прогиба менее 2—3 мм). Они понижаются по мере повы-
шения содержания кремния, увели-
чения интерметаллических соедине- -
ний в строения, рис. 404 [161].
Для повышения коррозионной
стойкости в НС] в высококремни-
стый сплав вводят 3,5—4,0% Мо.
получая устойчивые сплавы под на-
званием «антихлор» или «морси-
лекс»(а США — дюрихлор) Строе-
ние такого сплава характеризуется
основной массой а-твердого рас-
Рис. 403. Строение высококремнн-
стого сплава (16% Si) с небольши-
ми ваделениюв» графита. X10(1
и U 6Ьлл
Рис- 404. Влияние кремния
и углерода на механнчёЬхие
свойства высококремнистъгт
сплавов
твора и эвтектикой, образованной Fe — Mo-карбидами. Пассивирование
сплава, предохранение его от коррозии атомами молибдена и соответ-
ствующих его соединений наступает только через 30—40 час нахож-
дения сплава в корродирующей среде. Механические свойства анти-
хлора несколько выше чисто кремнистых сплавов, но в общем сравни-
тельно низки.
Г. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК
ИЗ КРЕМНИСТОЙ СТАЛИ В СВЯЗИ С ЕЕ ЛИТЕЙНЫМИ
СВОЙСТВАМИ
1. Жидкотекучесть и кристаллизация кремнистой стали
Повышение содержания кремния понижает температуру плавления
стали, достигающую при эвтектических составах 'высоколегированных
кремнистых сплавов всего около 1190° и даже ниже при повышенном
содержании марганца. Из верхней части стального угла тройной диа-
граммы состояний Fe — Si — С сплавов можно заключить, что при по-
вышении кремния до 1,0—1,5% имеет еще место двухфазная первич-
ная кристаллизация (из кристаллитов у- и 5-твердого раствора).
Отлнвкк из кремнистой стали
579
С дальнейшим повышением содержании кремния выше 1,5% начинает-
ся, наряду с понижением температуропроводности и температуры
плавления, резкое увеличение интервала затвердевания, рис. 405.
Ри£ 405. Верхняя часть [интервал ватверДвва-
ния) днаграиыы состояний железокремнеуглеро-
дистых сплавов при 0,4% С (псевдобинарная
диаграмма) составлена оо рауыыи данным
Поэтому, несмотря на суспендированные включения и поверхно-
стную пленку SiO2, практическая жидкотекучесть увеличивается особо
сильно при повышении содержания кремния выше 1J5% (рис. 406) [17].
Жидкотекучесть же при постоянном перегреве (в 50°) над ликви-
дусом уменьшается до 1,5% Si, а затем вновь повышается, особенно
Рис. 406. Влияние креыиия на практвческую
жидкотекучесть стали
сплава (см. рис. 230). Изложенные' основы влияния кремния на жид-
котекучесть стали наглядно усматриваются из данных, представляю-
щих влияние кремния на получение спираля определенной длины при
различных температурах валивкн, рис. 40F.
По сравнению с простой углеродистой сталью (0,4% С) повыше-
ние кремния до 1,0—1,5% Требует более высокой температуры заливки
для Заполнения данной длины спирали. Но при дальнейшем повыше-
нии содержания кремния требуемая1 температура уменьшается так
37*
580 Свойства стальных отливая и влияние на них состава стали
сильно, что достигает только 1270° прн 18% Si против 1620° при
1% Si.
Несмотря на благотворное влияние кремния на практическую жид-
котекучесть стали, необходимо иметь в виду, что вследствие суспен-
дированных включений SiO2 кремнистая сталь более густа, чем утлеро-
Рмс. 407. Срввнительное влияние кремния и угле-
рода па жидкотекучесть стали. Определяется тем-
пературой заливки, которая требуется для запол-
нения спирали длиной 300 мм [построено по дан-
ным рис. 406 для кремнястой стали прн постоян-
ном 0,4% С и для углеродистой стали по данным
рис 377 при постоянном 0,2—0,5% Sj|
дистая. Отливки из нее всегда более подвержены образованию газовых
и неметаллических включений
При высоком содержании кремния, когда наступает однофазная
первичная кристаллизация, укрупняется ее строение. Повышение тем-
пературы Заливки еще более увеличивает размер зерна. Для средне-
и высоколегированяой кремнистой стали это зерно не может быть
умельчено никакой термической обработкой. Для специальных физи-
ческих свойств среднелегнрованной кремнистой стали такое крупное
зерно полезно. Для химических же свойств ^высоколегированной
кремнистой стали оно вредно. Для отливок из вее нужно соблю-
дать строгий температурный интервал заливки 1220—1280° (темпера-
тура выпуска 1320—1340° С) в зависимости от размеров отливки (см.
рис. 402).
Для отливок из кремнистой стали, не имеющей фазовых превра-
щений, термическая обработка применяется преимущественно для сня-
тия напряжений. Отжиг с этой целью удлиняет срок службы отливок
из высококремнистых сплавов. Его необходимо проводить при 750—
850° с выдержкой 4—6 час. при толщине стенок отливки до 20 мм
и 12 час. при более толстой стенке. Общая длительность операции
велиКа и достигает 96 час., вследствие чрезвычайной легкости образо-
вания холодных трещин в отливках из этих сплавов.
2. Усадка и связанные с ней явлении в отливках
нз кремнистой стали
Линейная усадка железа сначала увеличивается до 2,5 % при по-
вышении содержания кремния до 1,5%, но затем уменьшается
(см. рис. 60). Учитывая конкретвые составы применяемой для отливок
кремнистой стали н соответствующее влияние углерода, можно отме-
Отливки из кремнистой стали
581
тить, что кизкоуглеродистая низколегированная кремнистая сталь
имеет большую линейную, в особенности ббльшую доперлитную усад-
ку, чем обычная углеродистая сталь. Высокоуглеродистая низколеги-
рованная кремнистая сталь имеет примерно одинаковую, а высоко-
кремнистые сплавы меньшую усадку, чем обычная сталь (ат ^1,6%).
Усадка жидкого металла увеличивается прн повышении содержа-
ния кремния. Однако она в значительной степени зависит от количе-
ства выделяющихся из кремнистой стели газов, концентрация которых
я зтой стали обычно велика.
Повышение содержания кремния чрезвычайно сильно уменьшает
теплопроводность стали. Это увеличивает объем усадочных раковин в
отливках из кремнистой стали. В отливках из низкоутлеродистой низко-
легированной кремнистой стали требуется, при прочих равных условиях,
установка прибыли всегда большего размера, чем в отливках из обыч-
ной стали. В отливках из высококремнистых сплавов необходимо учи-
тывать невозможность удаления прибылей на станках или огнерезкой.
Поэтому установка прибылей и соответствующий подвод металла про-
изводятся по методике, принятой для отливок из ковкого чугуна.
Часто осуществляется принцип управляемого направленного за-
твердевания. Металл подводится непосредственно через прибыль или
в массивную часть отливки, на
которой находится прибыль. В
отливках же со строго равномер-
ными толщинами стенок подвод
металла осуществляется через
несколько питателей. В этих слу-
чаях у устья питателей обычно
помещают местные наружные
Холодильники-
Прибыли устанавливаются
преимущественно боковые, за-
крытые для повышения эффек-
тивности действия. Перешеек к
телу отливки у прибыли н пита-
телей делается по возможности
Рис. 408. Подвод металла и уста-
новка прибыли на отливке лопаст-
ного колеса из высококремнистого
сплава
тоньше и с надрезом, чтобы легко отбить прибыль или питатель молот-
ком без повреждения отливки, рис. 408-
Горячие трещины в отливках из ннзкоуглеродистой кремнистой
стали образуются легче, чем из обычной (влияние углерода и кремния
на доперлитную усадку). При изготовлении таких отливок нужно при-
нимать специальные меры по повышению податливости формы и обес-
печению свободной усадки Аналогичные меры следует применять
и при заливке высококремнистыми сплавами, несмотря на их сравни-
тельно малую доперлитную усадку. Объясняется это крупнокристалли-
ческим строением, очень низкой теплопроводностью и низкой прочно-
стью этих сплавов.
Основную трудность в производстве отливок из кремнистой стали
представляют мероприятия по борьбе с термическими напря-
жениями и холодными трещинами. Для отливок иэ ннзко-
углеродистой кремнистой стали вследствие низкого содержания крем-
ния и повышенной пластичности стали в сыром состоянии, никаких
специальных мероприятий не требуется. Зато для отливок из высоко-
углеродистой кремнистой стали и особенно из высококремнистых спла-
вов, обладающих очень малой теплопроводностью, низкой прочностью
и большей хрупкостью, необходимы мероприятия по борьбе с холод
ними и горячими трещинами.
582
Свойства стальных отливок м влияние на них состава стали
Отливки из высокоуглеродистой кремнистой стали можно остав-
лять охлаждаться длительное время в форме Отливки же нз высоко-
кремнистых сплавов, выбиваемые обычно сразу после заливки, прихо-
дится иногда переносить в предварительно разогретую печь и очеиь
медленно охлаждать в ней. Как известно из теории напряжений, по-
садку в печь нужно делать при достаточно высокой температуре, когда
еще мала величина предела упругости. Запаздывание с посадкой
в лечь не предохранит отливку от образования холодных трещин, так
же, как и запаздывание с выбивкой отливки из формы не предохранит
от образования горячих трещин. Медленное охлаждение в форме или
в горячей формовочной смеси после выбивки допустимо только для
отливок простой конфигурации.
Для борьбы с напряжениями и горячими трещинами нужно уде-
лить особое внимание правильной конструкции отливки. Рав-
номерная толщина стенок, плавные переходы, большие радиусы за-
круглений, система усадочных ребер — являются необходимым требо-
ванием к конструкциям таких отливок. Кроме того, следует избегать
больших ровных горизонтальных плоскостей. Иначе полу-
чится заворот пленки окислов SiO2, всегда имеющейся на поверхности
жидкой кремнистой стали. В отливке образуются спаи, наплывы, вклю-
чения. Отливки с большими поверхностями (трубы, цилиндры, чаны
и т п.) должны, как правило, заливаться вертикально и с верх-
ним подводом металла (рассосредоточенной «карандашной»
.цтниновой системой).
Чувствительность к образованию термических напряжений и хо-
лодных трегцив в отливках из высококремнистых сплавов настолько
велика, что в условиях службы е допускается разница температур
п сечению отлхвки выше 40° С. Даже при остывании в печи нельзя
получить здоровую отливку с толщиной стенок больше 50—60 мм. На-
пряжения в отливках настолько велики, а прочность их настолько мала,
что удары при транспортировке и очистке отливок могут вызвать обра-
зование холодных трещин. Эти операции должны проводиться с исклю-
чительной осторожностью..
3. Рост отливок нз кремнистой стали н газовые раковины в них
Кроме напряжений я холодных трещин, дефектом отливок из крем-
нистой стали являются газовые раковины. При затвердевании отливок
из этой стали часто наблюдается рост их со всеми характерными про-
явлениями дикой стали. Несмотря на высокое содержание кремния,
получение «намертво» раскисленной и успокоенной стали чрезвычайно
затруднительно. Повышенное газосодержание кремнистой стати
объясняется отчасти большим поглощением азота во время плавки
(нитриды кремния), по, главным образом, водородом, вносимым ферро-
силицием. Так, например, по исследованиям В. Е. Васильева и К. И.
Ващенко [161] средний состав (из 14 плавок) выделившихся газов из
высококремнистых сшГавов оказался: 81—82% Н2; 7—10% N2;
3—8 % СО; до 1% СО2; 2-4% СН,.
При плавке кремнистой стали необходимо специально контролиро-
вать присаживаемый -ферросилнпий (опытной прицельной плавкой),
прокаливать его перед присадкой, применять только сухие материалы
во время плавки, избегать длительной выдержки жидкого металла
в лечи из-за форсированного. поглощения газов. Очень важно ие допус-
кать перегрева металла во время плавки. В этом отношении особо опа-
сен период присадки -ферросилиции, когда металл разогревается вслед-
ствие экзотермической реакции образования силицидов. Иногда един-
ственным методом получения здорового металла является «выморажи-
Отливки из марганцовистой стали
ванне» (охлаждение в печи до температур затвердевания и, следова-
тельно, предоставление возможности удаления основному количеству
газов; затем вновь быстрый нагрев и выпуск металла). В некоторых
случаях выплавленный металл разливают даже в чушки для посчедую-
щего их форсированного переплава. Применяют также ряд других
общих мер, изложенных выше (стр. 205).
Для многих отливок приходится применять сухие и даже подогре-
тые формы вместо сырых. Не допускается применение внутренних хо-
лодильников и жеребеек. Стержни должны держаться только на зна-
ках. Формовка и сборка должны производиться с исключительной тща-
тельностью, не только для обеспечения точных размеров отливок
(из необрабатываемых высококремнистых сплавов), но и для предох-
ранения от попадания в заливаемую полость формы загрязнений
и газов.
Для плавки даже низколегированной кремнистой стали следует
предпочитать печи с кислой футеровкой, имея все же Процесс кипения
известной длительности. При плавке в основных печах и присадке
большого количества ферросилиция в ковш в отливках иногда обнару-
живаются «твердовииы» — местные участки с повышенным содержа-
нием кремния.
Требования к свойствам формовочных и стержневых смесей не от-
личаются какими-либо особенностями. Например, даже для отливок из
высококремнистых сплавов по данным К. И. Вашенко [162] допускается
газопроницаемость 150—80 см/мин у смесей для сырых форм и 60—
120 см/мин для сухих (при 3—6 и 6—10% влаги соответственно). По-
казатели свойств для стержневых смесей такие же, как н для смесей
сухих форм.
Очень высокая газопроницаемость смесей в данном случае не мо-
жет иметь особого значения потому, что поражение отливок газовыми
раковинами происходит преимущественно по вине металла.
II. ОТЛИВКИ ИЗ МАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ
Марганец, в противоположность кремнию, принадлежит к элемен-
там, расширяющим область у-твердого раствора и снижающим точку
А(\ что ведет к умельчению строения при вторичной кристаллизации.
Образуя твердые растворы замещения с Fe-и и Fe-i. марганец может
в известной степени повышать сопротивление пластическим деформа-
циям, сравнительно мало уменьшая пластичность. Но более значитель-
ное влияние на механические свойства марганец может оказать, нахо-
дясь в твердом растворе с цементитом, т. е. образуя сложные железо-
марганцевые карбиды. Благодаря этому также увеличиваются з,
и о,,, но при одновременном, уже заметном снижении пластичности.
Одновременно увеличивается прокаливаемость стали вследствие пони-
жения температуры превращения f и замедления скорости выде-
ления карбидов нз аустенита
Чем выше содержание углерода при данном марганце, тем легче
получить мартенситное или аустенитное строение сталп. Аналогично,
при данном углероде, по мере повышения содержания марганца можно
получить последовательно перлитное, мартенситное и аустенитное
строение стали Взаимные содержания марганца л углерода, опреде-
ляющие соответствующее строение отливки, в свою очередь зависят от
ее скорости охлаждения. Изучая известные из курсов металловедения
диаграммы состояний н влияние марганца на свойства стали, можно
сделать следующие выводы:
а) Марганцовистые стали перлитного класса, получающие
мартенситное строение только при резком охлаждении, содержат
584
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
до 2% Мп. Они принадлежат к группе низколегированной
конструкционной марганцовистой стали.
б) Марганцовистые стали мартенситно-трооститного
класса, получающие преимущественно мартенситное строение уже при
охлаждении на воздухе, содержат от 2 до 5% Мп. Они принадлежат
к группе среднелегированной марганцовистой конструкцион-
ной стали, обладающей одновременно специальными физиче-
скими свойствами.
в) Марганцовистые стали аустенитного (точнее аустенитно-
мартенситного) класса содержат больше 5% Мп и принадлежат
к группе высоколегированной марганцовистой стали с осо-
быми физическими свойствами.
А. свойства отливок из низколегированной
МАРГАНЦОВИСТОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
1. Отливки из чисто марганцовистой стали
Углеродистая сталь, даже после закалки в воде с отпуском, ие
может применяться для отливок, от которых требуется предел упру-
гости больше 45—50 кг1мм2 (з* больше '80 кг/мм3}, или для отлниок,
имеющих при этом требовании к ае и а ь толщину стенок больше
30 мм. Марганцовистая сталь,
Рис. 409. Влияние содержаний мар-
ганца и углерода на получение раз-
личной структуры и механических
свойств низко- и среднелегирован-
ной марганцовистой спали с пре-
дельным содержанием 0,37% С
(efgh — хорошая п частичность,
abed •— высокая прочность, efk —
наилучшее сочетание прочности м
пластичности (по разным данным)
при таком резком охлаждении, вслед-
ствие меньшей критической скорости
закалки и более дисперсной структу-
ры, способна давать о, 60—80 кг]ли0
(°* до 110—120 кг/мм3) при толщине
стенок отливки до 70 мм.
Необходимое соотношение мар-
ганца и углерода выбирается как в
зависимости от требуемых показате-
лей прочности и пластично-
сти, так и от ко нф и гур а ци и от-
лив к и, определяющей допустимый
режим термической обработки Чем
меньше требуемые показатели проч-
ности при требуемой высокой пла-
стичности и больше толщина стенок
отливки, тем выше должно быть со-
держание марганца и ниже содержа-
ние углерода. И наоборот, чем боль-
ше требуемая величина °s и и
меньше допускаемая пластичность,
тем целесообразнее во многих случа-
ях принимать повышенное содержа-
ние углерода.
Следует подобрать такое взаим-
ное содержание углерода и марганца,
которое находится в сравнительно уз-
кой по составам перлитной области и
дает определенное оптима тьное
сочетание наилучших показателей
прочности и пластичноста. Критерием
для определения наилучших составов кремнистой конструкдионной ста-
ли явилась зона черноломкостн в области стали перлитного класса.
Подобно этой идее, критерием определения оптимальных составов мар-
стали
Отливки из марганцовистой стали
585
гиро ванной
ооститного
зоение уже при
ш принадлежат
! конструкцион-
ен и ф и з и ч е-
нее аустеннтно-
н принадлежат
стали с осо-
I АННОИ
СТАЛИ
с отпуском, не
я предел упру-
ги для отливок,
стенок больше
|овденни, вслед-
ческой скорости
персной струхту-
k 60—80 кг]мм?
и2) при толщине
I мм.
отношение ыар-
гбирается как в
ремых показате-
пластично-
i г у р а ц и и от-
ней допустимый
обработки. Чем
сказатели проч-
и высокой пла-
толгцина стенок
голжно быть со-
। ниже содержа-
5орот, чем боль-
чина °., и =А и
г пластичность,
о многих случа-
енное содержа-
ть таков взанм-
юда и марганца,
сравнительно уз-
итной области н
птимальное
lx показателей
ости. Критерием
аукционной ста-
злитного класса.
IX составов мар-
ганцовистой конструХинои- £
ной стали также должно „
явиться изучение показате- а
лей ог 3* и пластичности “
в области составов, обес- *
печиваюших сорбнтное ь-
строение стали.
Заштрихованная область
efgh на диаграмме ряс. 409
охватывает составы мар-
ганцовистой стали, имею-
щей сорбитиов строение.
Оно определяет свойства
этой стали как конструк-
ционного материала. Об-
ласть диаграммы efic, по-
крытая двойной штрихов-
кой, охватывает составы
сталя, имеющей наилуч-
шее сочетание с, и а*
кг/мм2 с показателями пла-
стичности [163]. В этой об-
ласти находится, в частно-
сти, состав современной
конструкционной марганцо-
вистой стали для отливок,
содержащей 0,2—0,3% С и
1,7—1.9% Мп
Чем выше содержание
марганца, тем ниже долж-
но быть содержание угле-
рода для обеспечения опре-
деленного оптимума меха-
нических свойств при про-
стой термической обработке.
Содержание угле-
рода в конструкционной
марганцовистой стали н е
превышает* 0,4—0,45%.
При повышенных требо-
ваниях к прочности
содержание углерода дер-
жится ближе к верхне-
му п ред ел у. Содержание
же марганца определяется
требуемой величиной я, и
и глубиной прокаливаемо-
сти. Таким образом, низко-
легированная марганцови-
стая сталь, практически
применяемая для отливок
с высокой прочностью, мо-
жет быть разделена на три
группы: f — 0,25—0,35 % С
и 1,05—1,35% Мп; Н —
0,30—0,40% С и 1,35—
1,55% Мо; Ш — 0,30—0,40% С
586
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
При необходимости же обеспечить высокую пластичность,
хотя бы в некоторой степени за счет прочности, применяется уже сталь
с содержанием углерода ближе к нижнему пределу. Эта сталь
также может быть разделена на три группы с одинаковым содержа-
нием 0,2—0,3% С и с меняющимся содержанием марганца: I) 1,1—
1,3%; 2) 1.35—1,55% н 3) 1,70—1,90%.
Отливки из стали высокой прочности, содержащие 0,3—0.4% С,
подвергаются обычно нормализации с отпуском и реже закалке.
Отлнвки из стали с сравнительно высокой пластичностью, содержащие
0,2—0,3% С, подвергаются нормализации и закалке в воде с отпуском.
Для всех этих групп стали, весьма чувствительной к хрупкости отпу-
ска, охлаждение после отпуска желательно вести на воздухе.
На основании многочисленных исследований можно дать следую-
щую характеристику механических свойств этих групп стали (табл. 67).
Различные режимы термической обработки могут значительно
влиять на изменение этих механических свойств, рис. 436. Даже
в процессе нормализации перенос отливки с подины печи иа пол для
охлаждения может повысить ат на 1—2 Еще более резкое
влияние в процессе закалки оказывает температура воды, как пока-
зывают следующие данные по низколегированной марганцовистой
стала (0,25% С; 1,44% Мп) 1164].
Термическая обработка
4 часа 900 вл 100“ + 3
чага 550 в .... .
4 часа 900 ед 15° -f-3
часа 550 в . ....
кг/мл^
55,1
59,9
I *
I кг/мм*
1 '
[ 72,0
76,3
—-100
°ь
%
76,5
78,5
23,1 42,5
22,0 44,0
Марганцовистая ста ть также чрезвычайно чувствительна
к перегреву при термической обработке и отличается устойчивой
неравномерностью состава, полученной при кристаллической
ликвации. Поэтому получаемые механические свойства отливок чрезвы-
чайно разнообразны даже при одинаковом составе стали. Это видно
пз сводных данных табл. 67 и из многочисленных опубликованных, но
трудно сравнимых исследований.
Например, недавно исследовано 300 плавок в заводских условиях
(основная дуговая электропечь; средний по кривым частоты состав
стали 0,25% С и 15% Мп при 0,2—0,32% Si и не более 0,035% S
п Р порознь; номер зерна по Мак-Квед-Эну 7—8). Определенные мето-
дом больших чисел составы марганцовистой стали, обеспечившие удов-
летворительные механические свойства при стандартной термической
обработке (нормализации), представлены на рис. 410 [164].
При постоянном содержании марганца повышение содержания
углерода интенсивнее повышает предел прочности, чем повышение
содержания марганца при постоянном углероде. При этом предел
текучести заметно повышается, а удлинение падает при содержании
углерода выше 0,25%.
Сопротивление ползучести стали 0,35% С и 1,42% Мп характе-
ризуется дЯнными рнс. 346 при t 455° (например, 1% удлинения за
1000 час. под нагрузкой 17,6 кг/мм2). Это сопротивление ползучести
несколько лучше, чем у углеродистой стали, но все же меньше, чем
у стали, легированной молибденом н даже хромом.
Отливки из марганцовистой стали
Ж
Хотя марганец улучшает прокалнваемость литой стала -(ряс. 376);
Рис. 410 ипредекиные методом больших чксе,!
составы низколегированной марганцовистой стали,
o6e-i'e>nmire в заводских условиях при простой
иор. иэац ©тлвпок (нагрев 75°/час; 4 часа при
900—940° удовлетворительные механические свой-
ства по трефообразным пробным планкам
цовистая сталь всегда будет иметь пониженные механические свойства
(рис. 411) [3].
Сложная термическая обработка может несколько улучшить этн
свойстна, но никогда не обеспечит того сочетания прочности и пластич-
ности, которое получается в ботсе тонкостенных отливках (см. рис. 436).
Рис. 411 Влияние толщины стенок
отливки на механические свойства
миргаыцовнетой стали (0,34% €.
1,46(5 -Мп/ в ворыалиэовяниом .со-
стоянии (8 чао. 900°)
Строение маргаъковистой стали (tX>4 и 1.81 % Мп) в сырое состо»
нин н после нормализации с отпуском, представлено на рас. 412 [170].
Замечается большее количество перлита, чем можно было бы ожидать
588 Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
в углеродистой стали при данном содержании углерода (влияние
марганца на передвижение влево эвтектоидной точки) В сыром состо-
янии сталь характеризуется крупнозернистым строением перлита
и феррита с ярко выраженными границами зерен первичной кристат-
Рвс. 412- Строение низколегированной мергав-
цогистой стали:
(1 — 1.81*/* Мп в S — Мп) в сырой литом со-
стоянии и после нормализации о отпуском 3 к 4
(3 часа МО в х 1 час BID в). X 65
лизации. Вследствие неравномерности состава, в одной стали (1 *81 % Мп)
феррит расположен преимущественно по границам первичных
зерен; в другой стали (1,54е/» Мп)—внутри зерен.
Нормализация с отпуском полностью изменяет строение металла.
Структура получается чрезвычайно мелкозернистая, однако с еще
заметными границами зерен первичной кристаллизации. Только диффу-
зионным отжигом можно добиться сравнительно однородного строения
и. следовательно, однородности свойств этой стали.
Неоднородность строения, вызывающая необходимость
двойной регенерации, является большим недостатком конструкционной
марганцовистой стали. Необходимо также учесть сравнительно неболь-
шую предельную толщину стенок отливкн (около 70 леи), определяе-
мую прокаливаемостью этой стали; ее чувствительность к хрупкости
отпуска и к перегреву, а также необходимость резкого охлаждения
при закалке. Все эти недостатки усложняют производство и в извест-
Отливки из марганцовистой стали
589
ной мере ограничивают применение чисто марганцовистой стали,
несмотря на ее дешевизну и достигаемые сравнительно высокие меха-
нические свойства. Более широкое применение имеет марганцовистая
сталь, легированная дополнительно различными элементами, умень-
шающими отмеченные недостатки чисто марганцовистой стали. Такие
комплексные марганцовистые стали можно считать наиболее распро-
страненными из применяемой конструкционной низколегированной стали
для отливок со средними толщинами стенок.
Область применения марганцовистой стали: отливки, подвергаемые
ударным и переменным нагрузкам (летали паровозов, вагонов, авто-
мобилей и др.); отливки, работающие при повышенных температурах
под дааленнем пара (детали турбин, паропроводов); отливин, подвер-
гаемые износу (черпаки экскаваторов, траки тракторов, колеса);
отливки разных областей машиностроения, испытывающие высокие
напряжения.
2. Отливки нз марганцовистой стали, легированной
дополнительны мн элементами
^Маргаицек^еяиястая сталь, содержащая 0,8—1,2 н до 1.5% Si
характеризуется более прочшжа ферритом и большей прока юваешостыо. чем чисто
марганцовистая или чисто крешжтая сталь. Она обладает более высокими меха-
ническими свойствами и лучшим сопротивлением износу. Некоторые характеристики
свойств иизкоуглеродистой марганцекремкнегой стали были приведены яа рис. 397.
Данные о влиянии кремния на повышение прочности марганцовистой стаям, содер-
жащей 0,2—0,3% С, приведены по разным исследованиям в табл. 68.
Таблица 68
Механические свойства маргаицекремннстой стали зави-
сикостм от содержания кремния (900 + 680 )
Механические свойства
1.22
1,18 0,0]
22,5
содержащая 0,5—1,0% Ст, ха-
ирокеливаемостыо, чем чисто ыар-
тицивисгая сталь, ото ооъясняепся тем, что введение хрома хак более сильного
карбидобраэующепо влемеята, пржодит к образованию специальных карбидов хрома
растеризуется большей иротеостью и большей
ганцовистая сталь. Это объясняется тем, что <
и к растворению марганца уже градаущественно в феррите.
При вэедеипи хрома в марганцовистую сталь с 0,2—0,3% С колжчество спе-
циальных карбидов ие будет еще столь велико, чтобы силы» понижть пластич-
ность Достигаемое же повышение прочности и ирокаливаеыостн позволяет приме-
нять эту сталь для отл«ад более ответственного назначения и с более толстыми
стенками (> 70 мм/. При зтом для получения соответствующих высоких свойств
отливки можно подвергать запасе в воде с высоким отпуском.
Для стали с 0,5 и 1,0% Сг будет достигнуто к, 45 и 65 кг/мм’ при i 50—
60% и ак до 10 кгж/cji?.
При введения хрома в марганцовистую сталь с 0,3—0,4% С прочность повы-
шается еще более, несмотря иа то, что для от.чивок применяется уже нормализация,
а не закалка в воле. Достигается прн дополнительном впадении 0,10—0.15% V
(с целью умельчения строения первичной кристаллизации и более полного раскисле-
ния и успокоения) для стали с 0,5 и 1,0% Сг уже = 50 н 60 кг/мма.
При более низком отпуске, например, на 500—600°, по данным автора мож-
но получить более, высокую прочность —80—70 кг/мм3, з» 100 де/лиР, яо за
счет понижения пластичности Р ~ 20—30%
5Я0 Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Необходимо еще отметать, что в мвргавдехромнетой стели, так же, как и в
чисто марганцовистой, диффузионный отжиг хотя бы при 1050° уже повышает удар-
ную вязкость по сравнению с получаемой при двойной нормализации (по данным
автора до W—I! против 6—7 кем/см? Менаже). Механические свойства маргаице-
чрейпкгой стали также отличаются разнообразием и неровными покаэатегивта в
or,j»®icax држ о,жж и том же составе и обработке Поэтому, как я чисто амргай-
цовнетая огал,, ш^рганцехроннстаж претернееает известные ограничении в примене-
ний- Более широко распространена сталь, еща дополнительно легированная такими
элементами, как кремний, молибден, ванадий, титан.
в) М ар ганце хроможре инист у ю сталь называют «тровгвися-
лем>г хин ведущим элементом в них обычно является не Хром, в марганец. Из-
вестию много составов хрлииснля. отличающихся .различными содержаниями < со-
отношениями между углеродом, марганцем, хромом и кремнием. В зависимое™ от
этих содержаний и метода термической обработки получаются разчячные механиче-
ские1 сээйстев Оты могут быть весьма высокими и, вследствие- малой критической
скорости закалю,, харвгтераон для хроыансилен, получаться в отливках с доста-
точно большими TOJU1MUMK стенок (до ВО—100 мм).
Обобщая ряд данных о применении хромансилей для отливок, можно заклю-
чить, что широкий диапазон возможных и применяемых составов 0.20—0,45% С;
0,6—1,2% Si; 09—1,8# Мп; 0.5-1,2% Сг; не более 0.03% Р и 0.03% S характе-
ризуется с.тедуйсхими' средины» механическими свойствами в зависимости от до-
пускаемой те*шературы о^п^ска (3^5—680°) после нормализации с 950°: cs = 40 —
60 кг,мм'; ><5Ь = 10—90 кг мм- 100=65—70%;8^20-36»/^ 4«>4&“6C»/v
сл
, При закалке Ч в£>д« или в касте с высоким отпуском (080—700°) можно еше
Орлее повысить прочность (oj до 80 л^лмг2, i* до 100 кг/жм*) прн сохранения
Достаточно хорошей пластичности и вязкости (&4>20%, ф>40% и 0*oJO
Автор (icc-гедоная две гружы стали хромаисиль для отливок с требованиями
=.« = 50—80 и 80—90 кг/мм"; соответственно около 80 и 120 кг/мм-. Для до-
стижения этих» показателей промести при оразднтелыю удовлетворительной пла-
стичности оказалось необхвц>мъ*< выбирать состав стал», харжтернзующябся по-
вышенным содержанием углерода (0,35—0,45%): иметь соотношение Мп : Сг: Si =
= 1 :0,9; 0,75; производить закалку в воде или в масле с относительно высоких
температур (около 900°) и вести отпуск яа 600—650°.
Суммарное влияние ыаргаща, хрома и кремния на повдевде критической
скорости закалки и повышение прочности более интенсивно, чек любого из этих
элементов <в отдельном эив®алейте. Тем не менее отливки нз стали хрлмансиль
характеризуются крупмоэерпнетьж строением при первичной кристаллизация и из-
вестной неоднородностью и пест.ротой свойств. Поэтому в практике обы*во произ-
водят дополнительное легирование еще титаном или, чаще, ванадием.
г) Марганце ванадиевая сталь обличается тем, что присадки 0,08—
0,12% V, яарйду с отмеченным влиянием «а 'Первичную кристаллизацию, раскисле-
ние и успокоение, резко уменьшает кристаллическую ликващкю марганца и пестро-
ту механических свойств стали. Это влияние ванадия замечается не только в чисто
марганцовистой, но и в рассмотренных марках комплексной стели с марганцем, как
ведущим элементом.
Благотворное влияние ванадия на улучшение строения марганцовистой стали
в часта его умельчения, равномерности и ликвидации отдельных неоднородных оо
<Мстату участков с крупным верпом усматривается из рис. 413.
При введении ппйздни механические свойства стали становятся более устоЯчи.
евпи», причем Повышается ее пластичность.
Для среднего, наиболее распространенного составе мартандеванадвевой стали
0,25—0.35% С; 0,25—0.50% St; 1.40—1,70% Мп п 008—0,12% V минимальные «еха-
ннческие свойства, регламенэтфомягые устовими приемки отливок после норыалнм-
гАи и отпуска характеризуются: т,<=»40 кг!мм2; се=60 кг/млР; -100—70%;
Cfc=25%; ф =40%.
При двойной лормяиизадиж, а также ср* закалке н отпуске оодвбмой стала
значительно повышается прочность. Достижение п, до 70 кг/мм3 даже при высоком
отпуске на 650°, сри сохранении пластичности более высокой, чем у чисто маргав-
цовисгой стали, является большим вреяиущесгвом марганцевакадиеэой стали как
конструкционного материала.
Это преимущество маргаацевааадиееои стали особо сказывается а повышек»
прецрл^ усталости (°и при изгибе 32—34 кг/льи2).
Из особенностей марганцевададиевой стали необходимо также отметить срав-
нительно высокую ударную вязкость при низких температурах, что определяет ее
прщдагенюе для многих отливок железнодорожного транспорта, артиллерии
II т. п.
Otmisku из марганцовистой стали
5fil
д) М в р га в цетжта пи ста я сталь содержит окала 0,05—0,10»/. П
(после присадки примерно 0,2о% FeTi или сплава Fe—С—Ti). Более углубленное
раскисление и успокоение стали, производимое титаном; образование чужеродных
зародышей кристаллизации (тугоплаяккх карбидов TiC); устойчивость размере зерна
стали — позволяют оценить влиядже титана как аналогичное влиянию ванаднн. Од-
нако вследствие того, что марбвды ттгтака растворяются я аустените при очень вы-
соких температурах, они препятствуют росту верна марганцовистой стали при нагре-
ве (не наблюдается роста зерна йнлотъ до 950° С). Кроме того, титан очень ин-
тенсивно связывает сравнительно большое количество углерода в карбиды (в TiC
отношение Ti/C = 4). Для использования этой роли титана необходимо иметь егосо-
держание в стали значительно выше указанного (0,06—0,10%).
Рис. 413. Взжянне вавалня (0,12%) ив улучшение строения
иарганцовнствй стхли (0,35% С; 1.07% Мп):
I — а ргавцсвиггая
опции с W0*°. j н
таль в сыром состоянии; 1 — посла ^юрмс-та-
— сырее м нормализованное соеюДньте. но
прн 0,UVt V. X- 100 (уменьшено н ’Л).
Таким образом^ в противоположность ванадию, титан уменьшает прокалнвае-
мость марганцовистой стали Это оказывает положительное алиянве ва отливки из
«самозакаливающейся» стали, получающей мартенситно-гроостигиое строение уже ирп
охлаждении на воздухе. Такое влияние важно для подобных отливок не только
в процессе остывания в форме, во н при термической обработке, позволяя ограни-
читься одинарной нормализацией.
Следовательно, титан не повышает прочность стали, на улучшает ее пластич-
ность и облегчает получеиве здоровой отлвшги. Кроме того, стоимость его прееццхи
значительно дешевле, а дефиоггэость меньше, чем занадмя. Поэтому часто приме-
няется либо совместная присадка тжтала □ ванадия, что интенсифицирует их влия-
ние, либо предпочитается присадка титана (для стали с высоким содержанием мжр-
гаям и углерода).
е) Март ан цовястая сталь е присадкой бора содержит всего
до 0,003% В, «о отличается при этом значительно лучшей прокалпвйеуоетыо я боль-
шей пластичностью после низких температур отпуска, чем чисто марганцовистая
692
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
стахь. На основе ряда исследований можно считать, что в зависимости от местных
условий содержание 0.0016—0,003% В эквивалентно «то своему влиянию и может за-
менить в стали около 1.0% Ni или 0,30% Сг, 0,1—0,15% Мо, 0,05—0,12% V,
0.2—0,6% Мп. Это влияние бора открыто недавно и сыграло во время войны боль-
шую роль в экономия стратегически важных легирующих элементов’.
Влияние бор* было впервые обнаружило в конструкцнявой марганцовистой
стали для автостроеви н затем подтверждено в некоторых других марках низколе-
гированной стали, имевшей содержание углерода только в интервале 0,2—0,5%. Не-
большое содержание бор* оказывает очень сильное влияние на качество стали (см.
стр. 101).
Механизм влияния бора еще точно не установлен вследствие его малых содер-
жаний, определяемых обычным анализом с большим трудом. Известно только, что
благотворное влияние бора проявляется лишь при температурах низкого отпуска
в интервале 230—480° в что бор увеличивает размер верна (до № 2 с № 3) в слит-
ках ралпееом до 18 г. Известно также, что влияние бора, вследствие его большой
раскисляющей способности, заметно лишь при присадке его после раскисления стали
марганцем, кремнием в алюмивеы, а по некоторым данным даже после раеетсленнз
только комплексными раскислителями типа Ca-Mn-Si. При этом бор должен приса-
живаться в- риде ие FeB. а сложного камплекса-сялаЛа с кремнием, алюминием, каль-
цием, титаном цирконием.
Имеется «ото таких сплавов различного состава, известных как <н и т е с я-
ф и к а т о р ы», <вм там и в и зато р ы» под названиями «гр е t в ал» (0.5% В;
8.0% Мп; 15% Al; 2Q% Ti и 4% Zri; «бортам» (В. Ti. Al Мп. 1.0% В;
22—24% Мп; 20—25% Si; 13-15% Al; 16—18% Ti н 1.5—2.0% В): «снлькац»
(Si, Са, Zr:—Si + Ca + Al + Zr + B); «силывац» i(Si. V. Al. Zr; — Si + V + At+
4- Zr + В) и т. n. Количество этих сплавов, присаживаемых ж стали, составляет
около 0,25—0,50% в зявисимвстк от степени предварительного рвскнслеянн и со-
держания бора в сплаве.
Необходимо особо подчеркнуть, что оптимальным остаточным содержанием бора
в стали является 0,0025—0,003% « чт* при повышении даже дм O.Lfi?—0,009% В
возможно проявление красноломкости и падение ударной вязкости. Объясняется такое
влияние возможным появлением легкоплавких соединений бора, лпа эвтектик, рас-
полагающихся ио гравивлм Мрея Это влияние иолгопз повышнвого содержания
бора доказано рядом исследований для нонструкционного кованого металла, а для
стали в литом состоянии В. Работновым и Е. Кузьминой [165|. Опп определили н
такой стали в* всего 1.5 кгмкм1 даже после диффузионного отжига в течение
8 чае. при 1200°.
Влияние присадки 0,25% карботама2 3 на повышение прокаливаемости и махвяи
ческах свойств литой сзаргэяцовнстой стали (содержащей молвбдеи), уошужадется
нз табл. 69 в рнс. 414-
Pottma*nue чп вакияеннаго honuOj
Рнс. 414. Влияние боре нз орокялаваеиость
марганцовистой стали, определяемую но распре-
делению твердости на образцах торцевой закал-
ки нз прэбшх планок, залитых мартеновской
сталью в производстаеидах условиях с присад-
кой 0,26% бортами (0.001% В в стали опреде-
лено спектрографически) (900 ад 4- 650 в)
1 Влиянию бора посвящен ряд работ, см., например, специальный сборням
журнала ЦНИИ НКТП |[«Бор в стали» —Труды ЦНИИ НКТП и Танковой промыш-
ленности, 1945, W 1).
3 6,0—8,0% С; до 0,5% Мп; 2,0—3,0% Si; 1.0% Al; 16—18% Ti и ео 1% В.
Отливки мз марганцовистой стали
W8
Т абляца 69
Влияние бора я молибдена на механические свойства лито* маргаицсмнгто* стали
закаленно* в воде с 900°
Из этих денных следует, что в стали № I при присадке боре может быть
уменьшено содержание молибдена на 0,15%. При атом прокалныт-мость будет все
же более высоко*, а механические свойства при сравнительно высоком отпуске ва
650° останутся .без изменения (сталь № 3).
Сталь № 3 имеет худшую гиюяадяваемость. чем сталь №№ 1 и 2, так wax а ней
меньше и молибден (ма 0,29%) и маргатюц (иа 0,20%). Но при более низкой темпе
ратуре отпуска (580 млн 540 вместо 650°), несмотря на начти полную зпшену ааолнб-
чеш и меньшее содержание марганца, прочность и .пластичность стал» с добавкой
бора выше, чем у маргаицемолябдеяовой.
На основании этого и других исследований можно заключить, что ес.-ж тре-
буется сталь с попазателсм »> > 100 кг/мм1 к замечается применение марганцови-
стой стали, то вместо 1.8% Мп целесообразно иметь 1,15—1,25% Мп и вводить бор-
там иля карботац. Стали, одинаково прокаливается, но стиль с меиьшкм содержа-
нием марганца и присадкой бора бовее пластична и дешевле
Рассматриваемое влитие бора на повышение прокалжтавмоста отеля, вероятно,
связано с его зияяпием не укрупвете зерна, причем бор еонкентрвруется иревму-
шественно -а «играиинчшв венах зерен. Благодаря этому, .несмотря на низкое среднее
содержанке бора, интенсивность его влияния может быть сравнительно велика Отме-
ченное выше увеличение размера зерна только на один-два номера при -яведеижг
бора объясняется одновременны и введением алюминия, титана, циркония. Без этих
присадок укрупнение вчриа было бы более значительным.
ж) Марта нцемолябденовая сталь содержит 0,25—0,50% Мо, при
0,20—0,40% С и 1,10—150% Мп я отличается меньшей .критической скоростью за-
калки, чем чисто марганцовистая стКДъ Ока оттнчается возможностью производить
закалку на воздухе вместо воды; мало* чувствительностью ос хрупкости отпуска;
повышенной ударной- вязкостью к хорошим сопротивлением ползучести.
Благодаря этим свойствам, марганцемолнбденовая сталь имеет для отливок наи-
большее применение из всех марок конструкционной марганцовистой стали. Выезжая
ррокаливаемость определяет возможность применения марганцемолнбдеяовой стали
для сравнительно массивных отливок м подвергать их закалке в мягиях средах с
целью уменьшения напряжений. Низкая чувствительность к хрупкости отпуска поз-
воляет производить ташке иеялетиое охлаждение после высокого отпуска к эттм
обеспечивать получение здоровой отлмакн с выссжой пластичностью.
Наконец,- высокие механические свойства при повышенных тотературвх позво-
ляют прииенять Эту сталь для ответстееняых отливов турбостроения, работающих
при высоких давлениях. Перечисленный комплекс свойств маргаипемолибденовой
стали ис может быть обеспечен никакой другой варнаti-ией состава марганцовистой
стали (с введением кремния, хрома, ванадий, титана или бора).
Указанные свойства « основном определяются молябщеном язи сильным карбмл-
образующим элементом. Вяедехме мо.ибпевя увеличивает прокалпваеыость вслед-
ствие образования спениадьных карбидов и повышения концентра кик и равномер-
ности содержания марганца в Fe*« я Fe-?.
Современные нсследовашя показывают, что это .влияние молибдена на увели-
чение проааыиааемости маргжшовнетой стали более интенсивно, чем достигаемое при
повышения содержания углерода.
38 Зак. 79. Ю А. Нехеядзя
Mi Свойства стаЛымЛл tH-ливок и айОДнМ на nut -состава стали
Г+4'в*<*г высокая прова/пгеаемосгъ достигается в отливках, имеющих даже
WWW >M^ef.3eJ»£..Cn<mwabK ВЯсл₽Де»9^я<йп8едрдаи. Ч0 ярмиржадке
0,03% А] в маргавцемолпбденчв^ю ста.ч^ j^RHq в отбивках умельчилось до Г« 7—8.
Без присадки алюминия размер эерна?карактеризовался, как более крупный, № 4—5.
Несмотря па уменьшение размера зерна прскаливаемость сохранилась, пластичность
же п-одкиласв »и .1.
Отливки из ма£ганцемолибде«овой стали подвергаются часто только нормали-
• дни с отпуском, обеспечивающей при 0,2—0,4% С, 1,1—1,6% Мр и 0,30—
(1,35% Мо р5—4JH—56 кг/ммг при ф = 50—65%.
Двойная вормали^аДиМ менее заветно повышает механические Саойс'гза, чем
в Других марка* марганцовистой Айля, но ЬИкалка в воде влияет весьма сущее**
венаэ (табл. 70).
Таблвцa (70
Влияние 7ермкчеекой ибрабоакя ва механические свойства мадганцемоамбдеиово? ста-
ли надболер распространенного состава (0,30% С; 1,ЭД% Мп, 0,45% Si; -0,30% Мо)
2
8
4
I
7
в
Термическая - обработка =х.. =в i Чо % °* (Ша(5ин) гам/см"1
кг]мм- кг/мм1
Литое сырое состояние- . . 51,0 68,2 75 6.0 11.5 4.4
930 печь—отжнй .... 43,6 64,0 68 21.5 34.4 5.5
D30 воздух —аормвянзаяш! 66.2 78.4 72 20,030.8 €.5 !
930 « + 980 в . . . . 57,0 79.0 73 20.5 28, F 7.U
930 в+ 820 в-}-650 и . 45.5 £9,4 76 28. < 50.9 12,6
9Ю в + 820 вд8^5 п 82,5 ©4,0 85 17,Й+850 ©,»
930 в -f-8*0вд+650rf 58,8' 70.3 83 23.5157,0- 14.5
S30 я+820вд+795 п 44,0 61,7 Vi 27,^62,5) 15,7
223
187
278
228
179
302
=812
СбЯрегиняение ползучСстй маргйнцемолибденовой стйли лерактернзуетеж, и*
врнмф. для стали 0.31% С;1 1,38% Мгг; 0.31% Мо по4ле Двойного отжша 900 п +
4-8ЭД п- к стабилизирующего структуру Отпуска При 700° следующими показателями-
рабочая температуре 453°; уДяйнбиие О,Г% за 10 000 час-; ея 10.5 иг1лт1
рабочая темнаратур» 455°- удажныше 1,0% да 10 000 час.; Н.0 кг!млР
Маргандемолибденоа*» сиьп («римвикетс® для отливов вжтотраиторостроежжя.
нкскамтароа^ сельсдохозяйстэемыл машвя, молатсв. среесоа, шестерен, арматуры,
rypfo-. Ж судвстрсвиж ж т, и.
Для соольаошяа ос
Я7Х • ш w . .... мм яовного влияния аюлябдмн
ва умекмпелме чугютнятадь-
иорти к хрупносгп отпуска,
на повышение предела ползу-
чести и прокалнваемостямож-
ио вводить его ОД—0,5% а
в комплексную марганцовис-
тую или другую сталь, Н«-
прийер, в производственны/
УСЛОВИИ* Из одном из наши
заводов по' дйнным М. Т. Ан
дреепа f9fij для маргаяпе-
хромомолибдеповой сталй по-
лучены при различных режи-
йа* термической обработки
(см. рис. 209У выажме меха-
нические свойства по cpMBiw-
нию с двутнми марками стали
(рис. 415).
з) МарТййценкке-
Левая ст ал ь- йоДержкт
ПДО -0.85% N1 Шит 0,Ж>—
0.40% С и 1,10—1*20% Мп.
Онн отличается "весьма Шюкой
критической скоростью закал-
-хи к выео«с4 илаетжчиостыо-
Рис. 415. MexaHWe'CKHi свойстве МЭргнэдехро-
Яыюихйцеиовой. стили по сравнению ео сэой-
ствами пругми марок стили оря различных
’Л Вййздскыч условиях режимах термической об-
работки рис. 209 (средине результат®-да 15 *е-
М пьгтвняй ЧЫМРЙ мдаи суалц)
Это определяет ее применение дли отливок с тотжявей ставов, болев 100 *М.
когда другие марки марганцовистой стали ие могут быть эффективно использованы.
Отлив** Из trcuu
«95
Л* *1 So лее TaiitOdrtWttix' отливок jrt* бтяЬь jMftto'r ЬрИйеняться ^о;»ке при слбжжЛ
ед конфигурации, требующей ыедлеявогр рхизждений. Данная стиль ыахолжг при-
менение и для тех сравнительно тонкостенных отливок, которые подвергаются ди-
фереициалыюй закалке с обеспечением очень пластичной внутренней зоны изделия.
Для массивных отлей после лормализации и отпуска (900° в+ 690® л) во про-
изводственным данным разных наволо* рассматриваемая сталь характеризуется, ва-
црицер, следующими пдазателямя;
С % М" °Л
NI %
сь
KZJ-HM2
—-1(К»/С
°а
в4 Ф
°'О °й>
Нв
0,30 1,20 0,70 40
0,40 1,20 0,74 46
66-
ТО
60 24 48 180
В5 25 52 200
Для ёше более «ассйяяых
©тирео* и для высокой ударной вязкости щж вяз-
ких температурах Производят дальнейшее гйУвышение содержания никеля. В такой
стали ведущим эле ментол» будет уже шиОеЛ Соответствующие евойстнз йикеяемар
гавцовистой стали рассматриваются ниже, в МХ_
Б. ОТЛИВКИ ИЗ СРЕДНЕЛЕГИРОВАННОЙ МАРГАНЦОВИСТОЙ
КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ, ОБЛАДАЮЩИЕ СПЕЦИАЛЬНЫМИ
ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Марганцовистая сталь, содержащая выше 2% Мп, имеет сравни-
тельно ограниченное применение. Такое увеличение содержания мар
Ганди йсе равно не обеспечивает хорошей прокаливаемости и равно-
мерности свойств в отливках толщиной свыше 100 мм. Кроме того,
резко уменьшаете# пластичность стали и сильно развивается чувстви-
тельность к хрупкости отпуска. Марганцовистая сталь может приме-
няться в качестве конструкционного материала с содержанием свы-
ше 2%Мп только при низком содержании углерода (не выше 0,2%).
Марганцовистая среднелегнрованнаи сталь с содержанием 2,5—
4,0% Мп и 0,25—0/15% С имеет высокое сопротивление из-
носу и может применяться для некоторых отливок, от которых не
требуется высокой пластичности.
При закалке в масле или- даже на воздухе отливок с повышенным
содержанием марганца и углерода получается мартенситная или тро-
осто-мартенситная структура. После низкого отпуска сопротивление
износу будет более высоким, чем в .отожженном состоянии. Соответ-
ствующая термическая обработка применяется в зависимости от кон-
фигурации отливки. Подобная среднелегированная марганцовистая
сталь применяется иногда дли отливок шестерен, эксцентриков, кулач-
ков и т п.
В ОТЛИВКИ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОЙ МАРГАНЦОВОЙ
СТАЛИ CQ СПЕЦИАЛЬНЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
1. Отливкн н# высокомаргаицовой стали Гадфнльда
Еще в 1885 году профессор Ленинградского горного института
В. Н. Липин вел исследование влияния различных повышенных содер-
жаний марганца на свойства стали. Он впервые определил повышение
механических, свойств марганцовистой стали до 2—2,5% Мп и после-
дующее ' резкое .понижение пластичности 1 Через 3 года, в 1888 году,
Р. Гадфипьд в Англии (Шеффильд), продолжив исследования В Н. Ли-
пина, еще более повысил содержание марганца и обнаружил2, что,
'В. Липин. Марганец в жыые я стали, «Горный журнал», 1885, № 5, 251.
* R. Hadfield, О мергаЯце в стали, «FdpwHS журнал». 18М9, № 4. 23.
38‘
EfHi Свойства стальных отливокслияние на них состава стали
□ачиная с 12% Мп, вновь чрезвычайно резко после закалки повышает-
ся пластичность стали. При этом сталь приобретает ряд ценных
свойств, определяющих ее широкое применение под названием стали
Гадфильда.
Основным специальным физическим свойством стали Гадфильда
является ее сопротивление износу, наиболее высокое по сравнению со
всеми другими известными марками стали. Кроме того, сталь Гад-
фильда, обладая аустенитным строением, немагнитна, что также иногда
определяет ее применение.
Аустенитное строение стали Гадфильда получается посде закалки
с температуры 1000—1150° в воде, или, для тонкостенных отливок, на
воздухе.
Состав стали Гадфильда колеблется й пределах. 1,0—1,4% С;
0,4—1.0% Si; 10,0-14,0% Мп; 0,08-0,12% Р; 0,02—0,04% S.
Средний, нанлучшиЙ состав стали Гадфильда для фасонных
отливок; 1,25% С, 0.8% Si; 12,5% Мп; Р<0,10%; -0,02' S.
В этом составе обращает внимание оптимальное отноше-
ние—-.равное 10. Высокое содержание углерода в стали
Гадфильда палуЧ.-rercrf автоматически, при присадке обычноЛ Й0м4н-
й<#о ферромарганца, в котором отношение - - нисколько выше
10 (80% Мп и 7% С).
Содержание кремния определяется его влиянием как раскис-
лителя и отчасти как успокоителя. Несмотря нр высокое содержание
марганца в стали, ее все же необходимо раскислять, имея в виду
п известное восстанов теине МпО. Установлено,, что при присадке 0,6—
1,0% Si вместо обычных 0,25—0,45% получаются более высокие свой-
ства стали из-за ее очищения, .всплывания легкоплавких силикатов
марганца.
Содержание фосфора обычно не удается иметь нюне 0,08%
(редко 0,06%) Фосфор вводится в сталь ферромарганцем,, содержа»
щим обычно 0,3—0,4% Р. Удалить фосфор в процессе плавка сбыто-
выми методами (железисто-известковыми шлаками) нельзя, так как
одновременно будет окисляться марганец. Небольшого понижения
содержания фосфора можно добиться введением пиролюзита в шлак
нрсле > дрбаркн ферромарганца.
Несмотря на высокое содержание углерода, фосфор до 0,12%
мвло влияет яа понижение пластичности стали Гадфильда. Объясняет-
ся это тем, что в противоположность обычной стали фосфор не нахо-
дится. в ваде фосфидов по границам зерен, вызывая хладноломкость
В аустенитной стали Гадфичьда фосфор находится в твердом растворе
внутри аустенитного зерна. Благодаря этому, мало понижается пла-
стичность аустенита. Только при содержании Р>0,12%, когда сро
борные сложные фоефмды могут находиться уже ho границам зерен,
появляется значительная хрупкость не только при нормальных, но
и при высоких температурах.
Низкое содержание серы в 0,02% часто получается также авто-
матически, благодаря высокому содержанию марганца в стали. Поэто-
му при плавке стали Гадфильда обычно не проводятся какие- тибо
специальные мероприятия по десульфурации стали в пеЧм под шла-
ками. Механические свойства стали Гадфильда в закаленном состояния
характеризуются следующими показателями.- од = 25—40 кз/мм1;
аь '= 80—100 кг/мм3; - 100 = 30—40%; = 40—55%; ф =
= 3S—45%; о* =20—30 кгм/см* (по М,енаже);180°, с,~- 25
Стлнекя и» ма^аамцовяауд етлли
30 кг/лл’(-при изгибе); а ,= 15—20 кг/мм3 (при растяжении —сжатии);
Н в = 180—220.
Обращает внимание огромная пластичность и вяз-
кость стали, характеризуемая удлинением 40—55% и ударйоЙ
вязкостью 20—30 кгм/см1 при пределе прочности 80 и дЬже
100 кс/жлг2При этом своеобразность свойств стали Гадфнльда за-
ключается в том, что она рвется без шейки, давая, как всякая аусте-
нитная сталь, равномерное удлинение.
Из показателей прочности стали Гадфилвда обращает внимание
чрезвычайно низкое относительное значение з,. со-
ставляющее всего 30—40? от зь. Как известно, даже в обычной угте-
оодистон стали отношение 100 составляет около 45—50%, а в
°ь
конструкционной стали >. такой абсолютной величиной даже 70—.
85% Столь низкое значение предела упругости объясняется >м теннт-
ным строением стали (стр. 494)
Аустенитное строение
стали -Гадфнльда определи- S?
ет также ее сравнительно
низкую тверд с т ь
(всего около 200 по Брине-
лю). Но несмотря на столь
низкую твердость, сталь
Гадфнльда практически не
поддается механи-
ческой обработке ин-
струментами из обычной бы-
строрежущей стали. Сверх-
твердые сплавы типа побе-
дит, стеллит, видна и т п.
способны в известной мере
ее обработать Поэтому фа-
сонные изделия из стати
Г адфильда нзгото в ляются
только путем отливок, при-
чем все отверстия в них
должны быть полечены
преимущественно путем
простановки стержней.
Трудная механическая
обработка стали Гадфнль-
да, ее высокий предел проч-
ности н сопротивление из-
носу объясняются, как ука-
зывалось ранее, наклепыва-
емостью стали, ее высокой
вторичной твердостью, ко
450—550 Нв (см. рис 355).
Сталь Гадфитьда, как
отмечалось, обладает высо-
ким сопротивлением износу
только при больших удель-
ных давлениях или ударной
£
Рис. 416. Сопротивление износу стали Гадфнль-
да по сраиненню с чугунам я дручими марками
стали с различной твердостью вря трении о ми-
неральные вещества (ро разаым исследованиям)
1 При очень тщательном изготовлении образцов, стсутутднн деффтрв я ЗДЦ1
и сстйрожиом растяжении удлинение может достигать 80%,
596
Свойства стальная отливок » вликнкь поникл состава стали
2 <и—6(Ю°Нв 960 21 и.—900° Ив. 230 2 ч ЯХРН#» 260
4 5 6
Ряс. 417- Строение хталп ГаЦфнльа» (1.23% С: I^BVd Мл).
в валлепнои на иустеяят состоянии 111, ц выпадающими кар<5^дпми м повышающей™
твер^втыо при нагреве до вмю (»—О и ннрвь ряадпгфякппииют Ъ-рбодаыв пре дальней-
шем нагреве, (5—» « 1) X 200
нагрузке. Например, зубья баггера из стали Гадфильда при работе
в каменистой твердой породе имеют хорошую стойкость, но в то же
время очень быстро изнашиваются при работе в золотоносном песке
Щеки дробилок из стали Гадфильда имеют хорошее сопротивление
износу при размалывании твердых пород и низкое — при мягкиА
и т. д Сопротивление износу стали Гадфильда по сравнению с много-
численными другими марками стали в условиях работы трения о раз-
личные минеральные вещестаа представлено па рис. 416.
Сталь Гадфильда обладает из всех известных марок стали наи-
большей стойкостью против износа', если применяется в усло-
виях наклепа для конусов и броневых плит дробщцдыц машин.
ieo стали
Оглы* *мкли &Л
» Мп).
и ctiBbUuajonjrtr^
имн при двлыге*.
щек гамиедробилои, рельсов^* пересечений, cfpeAttff и т. в. Она обла-
дает меньшей стойкостью, ч ем да ж е чу гуй# если приме-
няется, ил пример, В качестве'сОпёй-В йеакоструйЯыю Угйта^атах. 1
Сталь Гадфильда обладает высокими свойствами только в зака-
ленном н» аустенйт «стоянии. Пр# отпуске сталй Гадфпльда, т е. 9рн
нагреве ниже 700°, на 400—600° (аустенитная сталь не мчее’г уочкн
А ,) ючейь резко меняются Свойства Ьтали. Й обцчной с'та-ip ыартсн-
сзггного или пер.титного класса при отпуске происходит коагуляция
карбидов, получается менее напряженной состояние й пб'вышаетс^
пластичность. При нагреве же* до температур, СчитаюгДихЬя для обыч-
ной стали температурами отпуске, сталь Гадфильда теряй? с в ди
отличительные' свойства: пластичность, сопротивленйе1 ЦзИо-
су, исмагнйтность. Сталь становится хрупкой, Магнитной. Она получает
в отпущенном состоянии свойства, характерные Для обычно!} стали
н закв дени ом на мартенсит «стоянии.
При нагреве закаленной на аустенит стали Гадфильда нз пересы-
щенного твердого' раствора (марганцевого вуотевдта) MOJutfrtHj выпа-
дать сложные железомарганцевые карбиды. При этом ирррчходну как
бы вытйГивавие марганца из Твердого раствора аустенцур Й тех ме.
стах-, где выпали карбиды, основная масса твердого раствора будет
обеднена марганцем. Это обеднение может быть насто.п>ко сильном,
что соответствующий состав будет при последующем охлаждении нахо-
диться уже и области не аустенитной, а мартенситной или даже- пер-
литной области (см. диаграммы состояний Fe — Мп — С), , ,вм л,
Благодаря обеднению марганцем в участках выпавших, жерезо-
марганцейых карбидов легко происходит превращение -j а^.
Чйстб аустенитное строение стали Гадфильда после, закалки р во^е
с 1050°, постепенно увеличивающееся количество выпавших карбидов
и повышение твердости при на-
греве до« 8(Ю—бвО* вкдно Из
данных автора (рис, 417,
I, 2-4)
При дальнейшем повышении
температуры происходит вновь
растворение карбидов, прежде
всего внутри зерна аустенита
(рис. 417, 5, б) Вновь понижает-
ся твердость сталц и, наконец,
при определенной высокой тем-
пературе, ациле 1000°, все кар-
биды полностью растворяются в
аустените При резкой закалке в
воде вновь фиксируется равно-
мерное аустенитное строение, как
. Могиитиар iwor^ippetmiiKi
-----CohpornuD - *и» изгиб}
-----Угол изгиба
—— Т^рЗкгтп тВри^л/о
Рис. 418 твердости, njjqcnp-
ноетя я магнитной проняиаемо^тЗ стали
Гадфильда (1.40% С я 111.9% Мп) при
магреа» после закалки на вустежжа
а при работе
, по в то же
'косном песке
сопротивление
- при МЯГКИХ
-НИЮ с много-
трения о раз-
стали и а и-
яется в усло-
вных машин.
1
нормальное для закаленной ста?
ли Гадфильда (рис. 417./).
Изменение твердости пй Брп'-
нелго, пластичности и магнитной v m
Проницаемости стали Гадфильда представлено на рис. 418.
Усматривается' не только, связь этих нгвойств с соответс^в^ипИм’
Изменением строении стали, по л отмеченный» выше немением .измене-
ния строения и свойств. Тот факт, что црдцшенне тверддотн и падений
пластичности происходят при более низких температурах, т, рвиыпе,
чем повышение магнитной проницаемости, доказывает, что
происходит выпадение карбиде^ (повышаете^ твердость),,,а за-,
тем уже превращения 7 "* ® из-за' обеднений' марганцем твер-
«о
Свойства сталинец отливок к влияние ми них состава стали
дога раствора в месте выпадения карбидов (повышается магнитная
проницаемость).
Таким образом, процесс распада аустенита в высоколегированной
марганцовой стали протекает иначе, чем обычно в стали другого клас-
са, когда сначала происходит превращение у-* а, а затем уже выпа-
дают карбиды.
Это положение имеет не только теоретическое, но большое прак-
тическое значение. Ойо указывает, что для сохранения сталью Гад-
фнльда своих свойств при неизбежном нагреве во время износа, в осо-
бенности при нагреве выше 400°, — необходимо:
а) всемерно понижать содержание углерода в ста-
ли Гадфнльда (чтобы меньше выпадало карбидов) и
б) всемерно повышать содержание марганца (что-
бы при обеднении твердого раствора марганцем в местах выпадения
карбидов, оставшаяся его концентрация все же обеспечила сохранение
аустенитного строения).
Таким образом, указанное выше отношение = 10 допустимо
в стали Гадфильда только в условиях низкого нагрева лра работе.
Если же отливка сильно нагревается в работе (например, оправки
трубопрокатных станов и т. п.) или должна быть нагрета для отпуска,
снимающего напряжения после закалки, то необходимо увеличи-
вать отношение-^ выше 10 (т. е. уменьшать углерод и повы-
шать марганец).
При этом, как показали исследования автора, получается стабиль-
ная высокомарганцовая сталь, сохраняющая свое строение н свойства
при любых нагревах.
2. Отливкн из стабильной высокомарганцовой стали
Скорость превращения аустенита обычной стали Гадфильда при комнатной
температуре настолько мата, что даже через несколько лет не замечается призна-
ков его распада. Однако при охлаждении отливок из стали Гадфнльда много ниже
комнатной температуры, например, в жидком воздухе, наблюдается частичное пре-
вращение аустенита в мартенсит. Это означает, что температуря мартенситного пре-
вращения стали Гадфнльда при быстром охлаждении находится в области низких
температур.
При очень же медленном охлаждении стали Гадфнльда с высоких температур
может образоваться при 250—300° даже перлит. Из современной равновесной диа-
граммы состояний стали с 13% Мп видно, чго при чрезвычайно медленном охлажде-
ния получается строение о-твердого раствора н карбидов (рис 419)
Образование перлита в подобной стали при охлаждении с в течение
6 недель иллюстрируется рис 420.
Таким образом, в условиях медленного оклаявденпя или при нагреве до
400—600° или иря охлаждения до «эких температур стабильность аустенита стали
Гадфильда не сохраняется- Вопрос же сохранения высокомаргаидооой сталью своей
иемагПитности и высокой пластичности при любых температурах и любых режимах
охлаждении имеет большое значение. Это сохранение свойств можно обеспечить пу-
тем изменения состава ствли Гадфнльда.
На рис. 421 предлагается диаграмме, иллюстрирующая возможное изменение
состава и строения высоколегированной марганцовой стали при изменения отноше-
Мп
вня -Q- . Диаграмма рис. 421 построена таким образом, что масштаб оси Мп
в 10 раз больше оси С. Следовательно, давня OF = ю] (биссектриса) являет-
ся геометрическим местом точек любых составов марганцовой стали с отношением
Мп Мп .
с~ = 10. Все стали, лежащие евраво ст этой линии, имеют отношение ~g- < 10
и устойчивость аустенита еще меньшую, чем детали Гадфильда. Все стали, лежа-
щие влево от этой линяв, имеют отношение > IQ И устойчивость аустенита
большую, чем у стали Гадфнльда 11661.
Отлиши м> стала
В01
Рис. 419. Разрез диаграммы состояний Fe—Мп—С
при 13% Мп
Рис. 420- Образование перлита и скоплений карби-
дов по грантам аустенятяых зерен при- очень-мед-
ленном охлаждении стат Гадфильда (1.09% С,
12.0% Мп) в течение 6 недель с 9803. Х^ОО
Все составы стали, лежащие выше линии ОБ, принадлежат к аустенитному
классу по данным известной диаграммы Гийэ, По другим данным Бейна, аустенитное
строение стали, в зависимости от содержания Марганца к углерода, получается при
охлаждении на воздухе для составов, лежащих выше кривой ВВ'.
По данным Гийэ, как видно из рис. 421. должно быть при 0,2% С не менее
13,5% Мп в твердом растворе для получения аустенитного строений. Для рйсзетл
можно предположить, что при выпадении сложных железомарганцевых карбидов
весь углерод связая только с марганцем в карбид МщС (точная формула еаецналь
ноге карбида маргвицв неизвестна, жо, вероятно, имеется сложный карбид
(Fe3C) „I (МпзС)л, в котором отношение т .п может меняться в широких вреде-
лил]. Приняв для запаса состав выпадающего карбида только МпзС. можно устано-
вить, что .на каждую 0.1% С вытягивается нз твердого раствора 1,4% Мп.
Мл _ 3-55 • \
С — 12 = 14?
etn
Свойства сталытх сяхшяж и влияние нл них состава стали
Следовательно, для того, чтобы после выпадения нз твердого раствора угла-
рода П виде карбида Мя^С сохранилась концентрация марганца в 13,5%. необходи-
мая для обеспечения аустенитного строения, сталь, должна*. содержать марганец
Мп = 13,5 + 14% С или Мп = 13 5 + 14 (С — 0,2)%.
На диаграмме рве. 421 нанесена линия CN, построечная по уравнению
Мп = 13.5 + 14С%. Вм-совмаы детали лежащие влево от линии СМ принадлежат
Рис. 421.
строения __________________ .
марганцовой стали в зависимости
Мп
от отношения —- пра ОЖ1аж
деини на воздухе
Изменение состава и
высоколегированной
к области стабильной вмеохоиарганцовой
стали. В стали этих составов), независимо
от количества выпавшего углерода, твердый
раствор всегда будет иметь мявямально не-
обходимое для вустёяитявго строения содер-
жание 13,5% Мп.
По кривой ВВ'. построенной по данным
Бейна, составы области стабкаьной стали
выше линии CN должна- отвечать формуле
Мл = 16,5 + J4 (С —0,25)%. что близко
соепнилет с формулой Мп «= 13.5 + НС %.
На освове этих соображений 158, 166]
был предложен состав стабдльяой. высоко-
марганцовой стада 0.2—0.25% С я 17—20% Мп
(см. рис. 421, точка 17/0,25).
При более высоком содержании углеро-
да в сталь необходимо ввести более сильные
карбидообразующпе элементы, чем марганец,
например, хром или титан. Содержание этих
элементов должно быть таким, чтобы связать
избыточный углерод в специальные карбиды
ПС. Следовательно, при 0,35% С нужно
ввести (0,35—0,25)-4 = 0,4% Ti. как минимум
(отношение (у в TiC «= 4) или (0,35—0,25) У
Сг
X И ~ 1,0% Сг (отяошевие g- в Сг?Ст*~11).
Получаемы* стали оказываются не только
немагнитными и пластичными при любых
условиях охлаждения, во а механически об-
рабатываемыми (табл. 71).
Влияние состава «мевкомарганцовой
охлаждении ш воздухе я ш способность к механической обработке [1661
стала на получение стабильного строения пра
Обрабатываемость
Состав, °,|
Магнитные
свойства
Мн
Слабо магнитна
о.ао
0.21
Не обрабатывается
То же
Очень плохо обрабатывается
Хорошо
Тяжело | Не опр.
Не обрабатывается
То же
Хорошо
Хороип| Среннё [ Не опр. | Средне
Не обрабатывается
Тоже
Хорошо
Средне | - | Средне
Отлиащ щ наргарцдлистой стам
ЛОВ
Обрабатываемость высо1кжаргавцооой стели с нсэтим с^дле^аяием , ...родя
к очень высоким отношением . . совсем иным, чем в стали Гадфнльда, объясняет-
ся наличием в ее строении е -фазы. Как известно из диаграмм состояний эта
г фаза появляется при высоком содержании марганца. Она имеет ге ональную
решетку, обеспечивающую известную властичность, но все же ие позв. я» чую так
наклепывать сталь, как транепентрированная решетка аустенита. Немагнитяость же
S-фазы такая же, как и у f -фазы
Высокомаргвниовую сталь с низким содержанием углерода предложено иазвэтъ
Стабильной только вследствве устойчивости ее свойств прн различных режимах
охлаждения [166]. Ее нельзя назвать стабильно-аустенитной высокомарганцов й
сталью, так как прн очень
медленном охлаждении ее
строение ие будет чисто
а-—.-•итвым, a J + • +
+ (Fe, Мл)хС или даже
+ (Fe, Мп)3С (рис 422).
Практически же неко-
торые свойства, определяю-
щие применение низкоугле-
родистой высокомарганцо-
вой стали для отливок, по-
зволяют рассматривать ее
с точки зрения этих сваДтв
как стабильно аустенитную.
Независамо от условий ох-
лаждения. отливки харак-
теризуются полной Иемаг-
нитнсстью (нет превраще-
вий 1 -*а) и хорошей ила-
стичностью (Е« = 40—50%
так как количество выпа-
дающих карбидов мало. Вследствие меньшей способности к наклепу, отливки
сравнительно хорошо обрабатыизются быстрорежущей сталью, имеют более высокий
Предал упругости, чем ка стали Гадфнльда (’3 —40—45 кг/жя2), тю зато несколько
меньшее сопротиаление износу.
Поэтому ниэкоуглероднетая высокомареаниовая сталь может применяться пре-
имущественно для немагнитных отливок и в тех случаях, ногда отливки необходимо
подвергать механической обработке. Кроме того, эта сталь может применяться для
отливок сложной конфигурация, закалка которых в воде или даже на воздухе недо-
пустима.
Отмеченные нограиичные линии аустенитной области СЕ и ВВ’ (см. рнс 42 i)
относятся к условиям охлаждения соответствующих образцов на воздухе. При еще
более медленном охлаждении, например, в печи, область чистого аустенита, без
•ыпакших карбидов, сужается Она перемешается в область составов стали с более
высоким содерж нием марганце я более низким углерода.
Поэтому для обеспечения полной иемагнитносгн. хорошей эластичности и обра-
батываемости высокомарганцовой стали при любых условиях медленного охлажде-
ния рекомендуется выбирать состав стали с отношением • 'cL~75—100 область ОА
(см. рис. 421). Пои Введении титана, хрома иля других «аобидобпазутоших элемен-
тов, более сильных,, чрм маргаиен. величина этого отношений МОжеТ быть умень-
шена (за счет понижения содержания марганца и увеличения содержания углерода).
Расширению применения рассматриваемой стали, как и вообще стали с высо-
ким отношением с . несколько мешает дороговизна низкоуглеЬодистого ферромар-
ганца. В определенных условиях для повышения стибильности^мергаяцоэого аустежи
та можно ограничиваться составом стали с. отнршеннрм ~с «• 20. Эта стабиль-
ность много выше чем у стали ГаиЛнлкда. но не сохраняется ппи очень медленном
охлаждении или при длительном нагреве в интервале 400—6QO0 — рис 423 *.
Однако, даже такое повышение стабильности аустенита имеет большое прак-
тическое значение. Н пример, стойкость оправок для трубопрокатных^станов. рабо-
тающих на износ с нагревам до 500—850° из стали с отношением с =20 оказа-
лась в 5—6 раз выше, чем КЗ обычной ст$ли Гадфидвда {^ = 1(Л-
1 Из двдлоыной работы А- П. К оф кава, Почтение стойкости литых стпхшж.
выполненной на кафедре «Литейное произполстео» в Ленинградском цолнтахнвче’
стом институте, 1936.
604
Свойства стальник т^тливЬк & -чич le rth' wr< 1' ‘состава стали
Рйс. 423 Выпадение карбидов в внсоходегмрованпой марганцовой стали при-илгреве.
Мп
я - 2 чаев — 7ЯР, стал г 1 г 12,!»*/, Мп 10. б 1чвс. Ь5«о сталь с Мв”» С
0. а я г 1HW
Опуская рассмотрение исследований оценивающих влияние на свойства выс№
колесироваянсй маргашюоой стали различных дополнительно легирующих элементов
никаля, премия», алюминия, храма, молибдена, циркония, ванадия, мед». вольфрамй,
титана, кобальта (см. например, С. Я Кармазин [167], необходимо, однако, Кратко
остановиться на некоторых полпженДях. определяющих выбор состава выыжолегп"
роваттной марганцовой стали и зависимости от конструкции отливки н оозможных
условий термической обработки
8. Влияние конструкции отливки иа выбор состава
высокомарганцовой стали
В отливках из стали Гадфильда с сравнительно цизким отноше-
Мп
ннем и высоким содержанием углерода при 'медленном охлажде-
нии во время термической обработки или остывании выделяется боль-
шое количество карбидов. Получаемое строение определяет большую
хрупкость отливок. Типичное строение от липки из стали Гадфильда
с преимущественным расположением карбидов по границам аустенит-
ных кристаллитов в сыром состоянии и чисто аустенитное строение той
же стали после закалки с 1100° в воде представлено на рис. 424 fl66].
Карбиды исчезли, но в бывших местах их залегания, если карбиды
были очень крупными, могут остаться пустоты, по существу межкри-
сталлитные микротрещнны. Поэтому получение возможно тонких кар-
бидов при первичной кристаллизации стали Гадфильда в отливках
Отливки, из ларе агяЛи
60S
имеет особое значение. При очвнь -крупных карбидах, полученных вслед-
ствие медленного затвердевания отливки и высокого абсолютного содер-
жания углерода (выше 1,35—1,40%), возможно даже неполное раство
рение карбидов в аустените при нагреве под закалку (повышенная мест
цея концентрация углерода, сверх пределов растворимости). Отливка
Рис 424 Строение столн Гадфнльдя (l.tSyJ С, 1,57% Мп)
п отливке то Пинтой 60 мм в сыром состоянии (слева}
и Посте закатки в воде с 1060° С (4права). X®*
после закалки даже с высоких температур (1150—1100 ) будет обла-
дать большой хрупкостью и низким сопротивлением износу.
Кроме того, при высоком нагреве и длительной выдержке отливки
легко обезуглероживаются с -поверхности При неполном обезуглеро-
живании образуются местные хрупкие участки. имеющие мартенситное
троение.
В массивных отливках, при охлаждении во время закалки, изеза
малой теплопроводности стали (примерно в пять раз меньшей, чрм
у углеродистой), неизбежно замедленное охлаждение центральных зон
отливки. Слрдпрателънр,, розц&жло дыцадение карбидов из твердого
раствори. При повышенном содержании уiдерода в массивных отбив-
ках нельзя получить равномерное аустенитное строение по всему их
сечению. Вот почему предельная толщина стенки отливок, заливаемых
сталью Гадфцльда с содержанием углерода даже на нижцем пределе
(около 1,0'%), составляет обычно не больше 10б—120 л/,«.
Очевидно, чем толще стенки отливки ил* сложнее
?е конфигурация, тем иеиьше должно быть абсолют-
ное содержание углерода и больше отношение-^п.
При толщине, превышающей 120,мм, необходимо применять только
высскомарганцовую сталь с низким содержанием углерода, млн произ-
водить дополнительное легирование никелем и карбидобразующимм
элементами.
Самостоятельное значение адеет дополни 1ельное лгирование
алюминием. Введение в сталь Гадфильда 1,0—1,5% А1 для отли-
вок с толщиной 80—120 мм к 3—5% AJ для толщин больше 120 мм
обеспечивает немагннтность и достаточно хорошую пластичность уже
вое
Свойства стальных отливок и влияние на нвх Состава стали
в литом сыром состоянии. Отливки из такой стали можно но подвер-
гать закалке в воде. Они также могут в известной степени обрабаты-
ваться. Подобные свойства являются большим преимуществом такой
стали.
Однако сопротивление износу и литейные свойства у этой стали
худшие, чем у стали Гадфильда. Получаемое значительное загрязне-
ние стали неметаллическими включениями AI2O3 (из-за окисления алю-
миния при выпуске и разливке) ухудшает механические свойства и за-
трудняет получение здоровой отливки. Например, по данным автора
можно привести следующие показатели механических свойств подоб-
ной стали в пробной планке и в отливке без всякой термической об-
работки (табл. 72).
Таблица 72
Механические свойства высоколегированной марганце-
Ломкниевой стали (с 0,64% С; 0.69% Si; 13,6% Мл
5,25% AI) в сыром состоянии
№ образца Место взятия образца кг'лл’ °б кг/мм* % Ф
I Отдельно знлн- тая пробная плав- ка (массивная). . 39.0 66,3 42.1 3830
Пробная планка, прилитая к отлнв- ке 31.2 48,2 21 ,4 30,0
3 Образец, выре- занные из отлив- ки . 31,9 47,5 20,8 24,0
Худшие механические свойства в пробкой планке от отливкя
и в самой отливке получаются независимо ог условий кристаллтзацни,
вследствие окисления алюминия на поверхности жидкой стали. Об-
разуется пленка окислов алюминия, и соответствующие включения за-
стревают в отлнвке.
г—lei
Г. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК
ИЗ МАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ В СВЯЗИ С ЕЕ ЛИТЕЙНЫМИ
СВОЙСТВАМИ
1. Жидкотекучесть и кристаллизация марганцовистой стали
Повышение содержания марганца до 1,5—2,0% понижает истин-
ную жидкотекучесть стали при небольшом постоянном перегреве над
ликвидусом. Дальнейшее повышение марганца ее увеличивает. Прак-
тическая же жидкотекучесть при постоянной температуре заливки уве-
личивается все время при повышении содержания марганца, причем
особо интенсивно до 1,5—2,0%, а затем; вновь выше 12—14*/е Мп
(рис. 425) {17].
Это влияние марганца, кроме понижения температуропроводности
и температуры плавления, в известной мере связано с характером ин-
тервала затвердёвания. Представленный на рис. 425 вид интервала за-
твердевания относитси к низкоуглеродистым’железомарганцовым спла-
вам.
Отливки на. марганцовистой стали
607
Кривые же жидкотекучести рис. 425 получены для стали с 0,5°/ С.
Поэтому прямой связи между жидкотекучестью и интервалом затверде-
вания по рис. 425 установить нельзя Однако очевидно, что пониже-
ние температуры
марганца
Рис. 425. Влияние маргаица (при 0,5% С) иа жидкотеку-
честь стали (при перегреве ь 30 и 50° вад ликвидусом
и пр 1600? С)
Рие 428. Жидкотекучесть стали Гадфвль-
Аа и сречиемаргзйиовоН стали по спирал»
рис 28
При дальнейшем" повыше-
нии марганца жидкотекучесть
вновь возрастает вследствие
продолжающегося понижений'
температуры плавления, тем-
пературопроводности и насту-
пающей однофазной кристал-
чтиэщцнй -стали.
Жидкотекучесть домета-
ет особо высоких показателей
для стали Гадфильда вслед-
ствие одновременного влияния
марганца и высокого содер-
жаний уТЛерода, рис 426 [3].
Температура плавления
стали Гадфил. ьда составляет
всего 1340°С, а интерват за-
твердевания ~ 100?. Несмотря
ир большую жидкотекучесть, скорость заполнения форм сталью Гад-
фильда должна быть очень высока, как и при заполнении густой
кремнистой или хромистой сталью. Объясняется это влиянием окяслов
608
Свойства стальных атлиовк ы влияние на них состава стали
марганца, которые понижают 'Поверхностное натяжение, дают легко-
плавкие силикаты и в сочетании с хорошей жидкотекучестью стали
вызывают большой пригар формовочной смеси к отливкам. При приме-
нении основных формовочных материалов, .в состав которых входит
хромистый железняк или магнезит, а по работам А. Д- Попова на Урал-
машзаводе и Дунит [168J, возможно не только уменьшить пригар, но
и понизить скорость наполнения форм. Эта возможность значительно
улучшает свойства отчивок из стали Гадфильда.
Максимально возможное понижение включений МпО необходимо
не только для улучшения жидкотекучести и уменьшения пригара.
В отливках из высокомарганцовистой стали, загрязненной включениями
МпО, легко образуются горячие и холодные трещины. Сталь, загрязнен-
ная МпО, еще более обогащается включениями из-за разъедания ею
шамотной футеровки жолоба печи и ковша. Включения МпО образу-
ются не только при окислении стали во время разливки, но и в про-
цессе плавки. Вопросам «раскисления» высоко марганцовистой стали
необходимо уделять при плавке специальное внимание.
Для плавки стали Гадфильда наиболее пригодны печи с основной
футеровкой, в частности, электродуговые. -В них можно легко довести
содержание углерода перед' присадкой ферромарганца до 0.07—0,09%,
а иногда и ниже, Что обеспечит получение стали с сравнительно низ-
ким содержанием углерода н- с отношением Ю. Даже в основ-
ных дуговых электропечах необходимо вести тщательное раскисление
шлака, доводя его до белого, рассыпающегося. При плавке же стали
Гадфильда в мартеновских печах на твердом ферромарганце, что при-
меняется иногда на заводах при эпизодическом, изготовлении крупных
отливок, нужно принимать особые меры по раскислению. После введе-
ния ферромарганца, в обезуглероженный и деф.осфоризованнргё металл
производят, раскисление шлака специальной смесью из молотого фер-
росилиция, древесного угля и порошковатого алюминия с известью.
Так как фосфоросодержащие шлаки предварительно скачены, то вос-
станавливаются только FeO и Мпо ивдака. В результате можно в мар-
теновской печй получать гйлак с низким Содержаньем FeO и МпО, до-
стижимым обычно только в дуговой электропечи. У?ар марганца будет
Мп
сравнительно незначителен, отношение -g- удовлетворительно, а, сталь
подвергнется диффузионному раскислению.
Для иллюстрации в табл. 73 приводятся по данным автора анали-
зы металла и шлака одной из таких плавок.
Тd бл и ца 73
Составы стили и шлика при раскнеленва смесью (А1 + СвО) в основной мартеиоккай
печи плавки па сталь Гадфильда
Момент
плавки
Перед FeMn, .
Состав стали, %
Состав шлака, %
|a1sO, CaO MgO
0,28 0,014 0,029
0.09 <0,01
15,9
0,020
14.'
,Л 0,32 М,0 0.12
0,021
16,4 4,50
10.1
40,8
Fe
Мп
После FeMn . -
3,30
11,4 19,7
После ГАТ +• СаО]
12,5г31,0
2,5 з,е
Отливки из марганцовистой стали
В связи с широким развитием производства траков для танков из
стали Гадфильда вернулись, особенно в Англии, к старому методу
плавки. В вагранке расплавляется синтетический чугун (на шихте до
90% стального лома) и продувается в конвертере малого бессемеро-
вания на мягкую сталь (0,10—0,12% С). В отдельной маленькой ваг-
ранке расплавляется ферромарганец. Смешение в пропорции, необ-
ходимой для состава стали Гадфильда, производится обычно в ковше.
Недостатком этого метода плавки в отношении качества отливок
является часто повышенное содержание углерода до 1,4—1,5% в фос-
фора до 0,12—0,14%. При этом содержании фосфора и углерода, не-
Мп
зависимо от отношения , в отливках легко образуются горячие
трещины.
Повышение содержания марганца укрупняет строение при пер-
вичной кристаллизации, особенно в аустенитной стали (влияние, неви-
димому, малой теплопроводности и большой скорости кристаллизации
аустенита). Получаемая грубая транскристаллизация стали отрица-
тельно влияет на ее пластичность и способствует образованию горя
чих н, холодных трещин в отливках. Никакой термической обработкой
аустенитной стали нельзя ликвидировать ее транскристаллизационного
строения. По данным автора, оно особенно легко появляется в отлив-
ках. залитых в начале разлнвкн, рис. 427.
Рис 427. Макростроеэье отливки из стели Гадфильда, залитой в ваздле (слева)
я в конце (справа) разливки. % п в
Влияние температуры заливки на размер зерна и механические
свойства стали Гадфильда усматриваются из исследований П. А Гон-
чарова [1691 (табл. 74).
Г аблица 74
Влияние температуры заливки на размер зепиа
и механические свойства стали Гадфильда J169]
Температуры заливки №
по Лиропто без поправки! зерна
с* о
кг/мл? ».о
39 Вак. 79. Ю А Нехенчэд
1450°
1400
1380
1350
1330
(ilO Свойства стальных отливок и влилнов на них '•остова стали
Наиболее эффективным мероприятием борьбы с транскрвсталлиза-
пией высокомарганцовистой стали является ускорение затвер-
девания отливки путем применения не только низких температур
отливки, но и сырых или кокильных форм (табл. 75)
Таблица 75
Влияние материала формы на размер зерна и механи-
ческие свойства стали Гадфильда [169]
Характерней! 1.з
формы
Сухая, нагретая до 200°
Сухая, нагретая до 25°
Сырая без подогрева .
С боковыми наружными
холодильниками . . .
£ « 2
42,0 4,2 1
51,610,2 3
56,7 13,0 3-4
65.3 28.0 6
Излом
Крупнозер-
нистый, транс-
кристаллпзаппя
Тра искри-
ста л лнзацля ЗДт
метка
То же
Рояный мет
ко.чернт тый
Известное влияние на умельчение строения марганцовистой стали
оказывает также модификация (инокулирующее взияние приса-
док алюминия, титана и др,).
2. Усадка и связанные с ней явления в отливках из марганцовистой
стали
Повышение содержания марганца незначительно увеличивает усадкч
стали в жидком состоянии и линейную усадку в отливках из конструк-
ционной стали, рис. 428 [3]. Но очень сильно повышается линейная усад-
ка в отливках из -стати Гадфильда, достигающая 2,8—3,0^ (сгр. 115).
Для характеристики принимаемых в производстве величин усад-
ки при конструировании моделей отливок из стали Гадфильда можно
указать, например, что для массивных отливок (щеки дробилок и т. д.)
усадка принимается в 2,5—2,8%. Для длинных тонких отливок (кре-
стовин, стрелок и пр.) усадка принимается по длине в 2.85%, по шири-
не и высоте в 1,5%.
Большая величина усадки и интенсивное ее развитие в темпера-
турном интервале непосредственно после затвердевания вызываю!
легкое образование горячих трещин в отливках из мар-
t андовистой стали. Но в то же время это способствует некото-
рому уменьшению объема усадочных раковин. Часто считают, что
усадочные раковины в отливках из стали Гадфильда значительно
больше, чем в отливках из простой углеродистой стали. Действи-
тельно, несмотря иа известное влияние линейной усадки, они могут
быть значительно больше во всех тех случаях, когда заливка произво-
дится металлом с большим перегревом, без использования {высокой
практической жидкотекучести стали Гадфильда. Однако при низком
перегреве можно получить усадочные раковины даже меньшие, чем
в отливках из обычной углеродистой стали.
При прочих равных условиях, большего развития усадочных ра-
ковин можно ожидать потому, что теплопроводность стали Гадфильда
очень мала, а заливка форм производится с большой скоростью. При
применении низкой температуры заливки и многократной доливки при-
Отливкц из мареаицовистой стали
611
былей удается получать здоровые отливки из стали Гадфильда и при
сравнительно небольших прибылях. Например, при температуре стали
Гадфильда перед выпуском из печи 1360°, во время выпуска из печи
1340° и при разливке~ 1320° (по Пнропто без поправки) вследствие
хорошей жидкотекучести стали Гадфильда при этом температурном
Pile. 42К. Втшшне марганца hj лннеЗкую усадху в отливках
на конструкционной марганцовистой стали
режиме возможна разливка ковшей емкостью 20 т в течение целого
часа; Пример подобной разливки стали, выплавленной в мартеновской
печи, приводится по данным автора в табл. 75а.
Необходимо особо подчеркнуть своеобразность установки
прибылей на отливках из стали Гадфильда в связи с невозможно
стью их отрезки на станках. Удаление прибылей от* крупных отливок
из стали Гадфильда может производиться только огнерезкой. Так как
теплопроводность и пластичность сырой стали чрезвычайно низки, то
при огнерезке возникают крупные термические напряжения и образуют
ся холодные трещины. Кроме того, на некотором расстоянии от ме-
ста реза неизбежны участки с температурой 400—600°. В этих участках
происходит выпадение карбидов, понижение пластичности и сопротивле-
нии износу даже в предварительно закаленной па аустенит отливке.
Поэтому в отливках из стали Гадфильда часто применяется установка
боковых прибылей.
Удаление таких прибылей огнерезкой ведется на некотором рас-
стоянии (15—20 мм) от стенок отливки, причем поверхность реза оков-
гательно зачищается наждачными кругами. Кроме того, отрезка при-
былей очень часто производится тольио после закалки отливок, когда
сталь обладает уже достаточной пластичностью и способностью путем
деформации погашать возникающие напряжения. Огнерезка прибылей
отливок из конструкционной марганцовистой стали производится после
отжига или смягчающего отпуска. Если производить отрезку прибылей
39*
«12
Свойства стальных отливок ы влияние на них состава стали
Скорость ia полнення и добавочного питанзя покбылен крупных отливок из стали Гадфильда
3
отливок из этой стали
В сыром СОСТОЯНИИ ПО
методу, принятому для
простой углеродистой
стали, то очень часто
образуются холод-
ные трещины.
Питатели подво-
дятся либо непосредст-
венно в прибыль (уп-
равляемое направлен-
ное затвердевание!,
либо, что предпочти-
тельнее для этой ста-
ли, — равномерно, во
многих точках (одно-
временное затвердева-
ние). В последнем слу-
чае, во избежание ме-
стных усадочных рако-
вин, перед кажды j
питателем приходится
иногда устанавливать
небольшие местные
прибыли. Удаление та-
ких прибылей и литни-
ков часто можно про-
изводить уже не огне-
резкой после закалки,
а легкими ударами лю-
тотка. используя хруп-
кость стали в сыром
состоянии (рис. 429».
Как указывалось,
вследствие большой и
интенсивно развиваю-
щейся сразу после за-
твердевания усадки,
отливки нз марганцо-
вистой стали весьма
склонны к образова-
нию горячих трещин.
Повышение содержа-
ния марганца не вли-
яет на повышение
прочности или пла-
стичности стали в тем-
пературном интервале
образования горячих
трещин. Этот интер-
вал также не сужает-
ся и не повышается.
Влияет на показатели
прочности я пластично-
сти при высоких тем-
пературах только со-
Отливки из марганцовистой стали
613
Рис. 429- Схема отливки зубчатых
вевцов из стали Гадфильда для гу-
сеничных целей (местные прибыли,
равномерный подвод металла)
держание углерода в марганцовистой стали. Это алияние вполне иден-
тично влиянию углерода и в обычной углеродистой стали (см. табл. 41,42
и рис. 430).
Из соответствующих мероприятий, требующих особого внимания
для борьбы с образованием горячих трещин, наиболее распространен
способ заливки в сырею форму. Крупные отливки заливаются в сухую
форму или изтотовленную нз формовочных смесей с цементом. Прн
этом принимаются специальные меры по обеспечению особой
податливости формы и стержней. Эта податливость должна
быть прежде всего обеспечена конструкцией формы и стержней (остав-
ление пустот, достаточное удаление от стенок отливки каркасов стерж-
Ptrc. 430. Прочность и пластичность марганцовистой стали при остывании в форме
в зависимости от содержания миргвнця и углерода
614
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Таким образом, к свойствам смесей по пригару и прочности необ-
ходимо предъявлять специальные требования при изготовлении отливок
из высокомарганцовой стали.
Многочисленные исследования определили в приставшей корке при-
гара до 25—30% МпО, что указывает возможность химического при-
гара этой стали. Полным раскислением и заливкой в условиях мини-
мального окисления необходимо предотвратить образование МпО в
стали. Для борьбы же с образованием легкоплавких силикатов и меха-
нического пригара следует применять для фпрмовочной смеси и краски
каустический магнемт (получаемый при обжиге обычного магне-
зита). Пригар может быть также уменьшен при применении мелкозер-
нистого кварцевого песка с очень высоким содержанием S1O2. около
97—98%. Пагубное влияние оказывает глина и AljO3 в песках.
Вместе с тем многие иностранные заводы применяют шамотные
формовочные смеси (45—55% шамота и 10—20% глины) для предохра-
нения стенок формы от размывания жидкой сталью (прочность 0,6—
1,2 кг/см2). Уменьшение пригара при этих смесях возможно только
при введении в них 10—15% графита или других углистых добавок,
создающих восстановительную атмосферу в полости формы (прсдот
вращение образования МпО).
При стержневом методе формовки крупных отливок нз стали
Гадфильда находят также широкие применение пес ч а но-цем ент-
вы е смеси, обладающие хорошей прочностью и одновременно разрушае-
мостью после заливки формы. Высокое содержание СаО (до 50—55%)
в цементе, изготовляемого путем обжига клинкерных материалов,
способствует получению хорошей поверхности отливок, с малым при-
гаром. Песчано-цементные смеси обладают хорошей формуемостью,
отсутствием гигроскопичности и не требуют сушкн, что является их
преимуществом и одновременно недостатком: задалживается формовоч-
ная площадь на период схватывания цемента (высокая прочность 3,0—
3,5 кг1см2 достигается через 12—24 часа выстаивания формы).
Для тонкостенных отливок и стержней малых отверстий следует
применять песчано-ма сияние смеси (95% леска с содержанием
SiOa<x>95%, 1,5% олифы и 3—3,5% алаги), имеющие высокие газо-
проницаемость (200—300 см/мин.) н сухую прочность (около 6 кг!см2).
но легко разрушающиеся после заливки. Для ускорения высыхания
(окисления и полимеризации) масла нужно вводить катализаторы (су-
рик, свинцовые беляла — около 300 г на 5 л масла).
Рассматриваемые смеси, равно как н известные кварцевые смеси
с заменителями дефицитного масла (сульфитный щелок, крепители
«Союзформолитье») находят применение, конечно, не только для отливок
из высокомаргаицовой стали. Они применяются для отливок нз любых
марок стали во всех случаях, когда необходимо получить чистую поверх-
ность и обеспечить быструю разрушаемость стержня для борьбы с го-
рячими трещинами.
_Для борьбы с юрячими трещинами, кроме рассмотренных мер по
свойствам смесей, отливки из стали Гадфильда подвергают часто
немедленной выбивке или освобождению после заливки,
когда температура не превышает 1250—1300°
Очень серьезное внимание обращается на конструкцию
отливки, на отсутствие острых переходов и резких сопряжений тол-
стых и тонких частей, также на прирезку усадочных ребер
и правильный нодвод металла.
Для иллюстрации образования горячих трещин в отливках из
С1али Гадфильда и весьма серьезного влияния подвода металла можно
привести данные П А. Гончарова (169], рнс. 431
Отливки из марганцовистой стали
61*»
Литники, (раньше)
Литники, {теперь)
Трешины
{раньше)
Рис 431 Влияние подвода металла
на образование горячих трещин
в отчиаке сектора решетки уголь
ной нстонины из стали Гадфильда
вызывают воз-
При равномерном подводе металла к внешней, большой дуге сек-
тора решетки угольной мельницы на внутренней дуге образовывались го-
рячие трещины, несмотря на многочисленные мероприятия (ранняя вы
бипка, установка холодильников, быстрее отбивание литников). При-
резка питателей по внутренней ду-
ге, с сохранением равномерности
заполнений формы, ликвидировала
горячие трещины, тан как усадка
отливки оказалась менее стеснен-
ней.
Борьба с горячими трещинами
является таким же основным усло-
вием правильно поставленного про-
изводства отливок из марганцови-
стой стали, особенно стали Гад-
филвда, как и борьба с холодными
трещинами в них. Малая теплопро-
водность стали Гадфильда в соче-
тании с очень большим коэфицмен-
том линейного расширения (в 1,5—
1,8 раза больше, чем v простой уп . .,
никновение чрезвычайно больших термических напряжений в отливках.
Фазовые напряжения почти отсутствуют в стали Гадфильда, так как
она имеет аустенитное строение и очень ограниченные участки превра-
щения т —а. Термические и усадочные напряжения при остывании
отливки в форме или на воздухе достигают меньшей величины, чем
при закалке, проводящейся с достаточно высокой температурой в хо-
лодной воде.
Несмотря на меньшую величину, эти напряжения, получающиеся
после заливки, опаснее, чем возникающие в процессе закалки. Обу-
словлено это, как указывалось на стр. 351, хрупкостью стали в сыром
литом состоянии. Однако известны случаи, когда затрудненная, в связи
с конструкцией отливкн, пластическая деформация не уменьшает
напряжений при закалке, и тогда отливка неизбежно получит холод-
ные трешины в процессе закалки. Известны также случаи, когда за
каленные отливки черпаков драг и подобной связанной конструк-
ции давали холодные трещины при вылеживании на складе.
При высоком содержании углерода и низком марганце, при нали-
чии свободных карбидов в строении стали Гадфильда—также возмож-
но образование трещин при закалке. Для отливок сложной конфигура-
ции, не выдерживающих резкого охлаждения при закалке, необходимо
производить более медленное охлаждение или давать отпуск, не дово-
дя отливку до полного охлаждения. В обоих случаях следует выбирать
такой состав стали Гадфильда, который обеспечил бы возможность
сохранения аустенитного строения Стали при этих термических
режимах.
В связи с указанной малой теплопроводностью стали Гадфнльда
необходимо производить очень медленное остывание отливки к моменту
достижения ею температурной области упругих деформаций и предо-
ставлять возможность к полной усадке. 'Поэтому отливки сложной кон-
фигурации, которые были выбиты при 1300° для предотвращения горя-
чих трещин, должны быть после выбивки перенесены в печь или засы-
паны золой Для предотвращения образования холодных трещин.
Вследствие малой теплопроводности скорость нагрева отливок из
марганцовистой стали под закалку должна быть небольшая, с выравни-
ванием температур по сечениям отливки. При форсированном нагреве
сырых отливок, особенно с толщинами стенок 80—100 мм. неизбежно
6К>
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
образование холодных трещин в процессе нагрева. Для иллюстрации
применяемых в практике очень небольших скоростей нагрева можно
привести следующие данные. Длительность нагрева мелких отливок
(небольших щек для дробилок, малых зубчатых колес, ходовых колес
и т. п.) составляет обычно 7 час., с выдержкой при температуре 1050—
1150° около 2 час. Нагрев более крупных отливок требует 10—20 час.
и длительной выдержки для полноты растворения карбидов при соот-
ветствующей высокой температуре. Она должна быть тем выше, чем
больше содержание углерода в стали.
Вопросы борьбы с холодными трещинами имеют большое значение
и для отливок из конструкционной марганцовистой стали, в особен-
ности для марок, имеющих повышенное содержание марганца и угле-
рода. В отличие от стали Гадфильда, холодные трещины в отливках
из такой стали могут легко образоваться и при закалке вследствие
хрупкости стали и большого предела упругости.
ГЛАВА XVIII
ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ ИЗ НИКЕЛЕВОЙ И ХРОМИСТОЙ
СТАЛИ
I. ОТЛИВКИ ИЗ НИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ
Уже отмечалось, что никель укрупняет строение при первпчнон
кристаллизации. Но, принадлежа к элементам, расширяющим область
7-твердого раствора, понижающим температуру превращений - _ а.
никель вызывает резкое умельчение строения при вторичной кристал-
лизации. Никель не образует устойчивых карбидов и, следовательно,
влияет на свойства стели только, казалось бы, через твердый раствор
в феррите или аустените. Однако рассмотрение влияния никеля па свой-
ства отливок должно производиться в зависимости от содержания угле-
рода. Обусловлено это резким влиянием никеля на передвижение
влево концентрационной точки Е и эвтектоидной точки S диаграммы
состояний Fe—С—Ni (например, при 10% Ni содержание углерода
в эвтектоиде всего 0,2% вместо 0,80%).
Влияпие никеля на свойства отливки основывается на том, что:
i. Никель образует твердый раствор с Fe-a. Упрочняя между-
атомные связи и искажая кристаллическую решетку феррита, никель,
следовательно, увеличивает прочность феррита, срав-
нительно мало понижая его пластичность.
2. Никель, понижая температуру превращений у-* а, способ.
<твует переохлаждению стали и v м е н ь ш а е т к р и т и ч е с к у ю с к о-
р о с т ь закалки. При соответствующем содержании никеля и угле-
рода получается мартенситное строение, характерное для закаленного
состояния, даже при сравнительно медленном охлаждении-
Сталь с 5% Ni получает мартенситное строение уже при закалке
в струе сжатого воздуха вместо воды. Мартенситное строение благо-
даря меньшей критической скорости охлаждения и резкого передвиже-
ния точки S влево можно получить в никелевой стали и ври более
низком содержании углерода, чем в другой стали. Например, сталь
с 5- -10% Ni может закаливаться па воздухе даже при 0.05% С.
При рассмотрении процессов лнкваиии отмечалось, что равно
весные диаграммы состояний только в виде первого приближения
могут давать представление об истинном строении и составе фаз стали
при остывании отливок в форме. С этой точки зрения, для оценки
строения отливок в зависимости от содержания никеля и углеродч
имеет интерес структурная диаграмма, полученная в условиях остыва-
ния отливки (цилиндр диаметром 30 мм) в сухой песчаной форм»
(рис. 432). Из диаграммы видно, что в низко- и среднелегированной
стали (до 4—5% NI и до 0,8% С) в сыром состоянии получается пср-
литно-ферритная структури-
В высоколегированной стали выше 20% NI получается мартенсит 4
-Ь аустенит, а ниже 20% Ni —особая структура, характерная для про-
цесса изотермического превращения в _ области между температурами
образования перлита и мартенсита Эту структуру распада аустенита
618
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Рис. 432. Структур» ы ni.li рамми
никелевой стали и Чугуна а зави-
симости от содержания никеля
и углерода (0,25% St 0,40% Мп)
при остывании цилиндра диаметром
30 мм — в сухой песчапой форме
в промежуточной области уже давно подробно исследовала уральская
школа металловедов С. С. Штейнберга. Несмотря на это, такие струк-
туры часто называют <бейнит», хотя Бейн (американский металловед)
определил их позже С. С. Штейнберга1, В. Д. Садовского, А. И. Стре-
гулина, В. И. Зюзина и др.
Получение перечисленных структур в отливке характеризует ее
чрезвычайно мелкозернистое и тонкое строение при вторичной кристал-
лизации, определяющее высокую прочность стали.
Никель может значительно повысить f>s и при сравнительно низ-
ком содержании углерода, т. е- вне зависимости от блокирующего влия-
ния карбидов. Благодаря этому при
достаточно высоких показателях о,
и оь сохраняется сравнительно хо-
рошая пластичность стали.
3. Никель повышает предел уп-
руюсти более интенсивно, чем пре-
дел прочности. Поэтому по -мере по-
вышения никеля растет отношение
. 100. Следовательно, при одном
°ь -
и том же абсолютном значении
з* в кг/ммя никелевые стали, по
сравнению с другими, могут более
эффективно использоваться как кон-
струкционный материал.
4. Никель, понижая кригиче
скую скорость закалки, резко уве-
личивает прокаливаеыость стали и
обеспечивает равномерность меха-
нических свойств но всему сечению.
Уже 2^ Ni достаточно для по-
.г. гения сравнительно равномерных
свойств в отливках толщиной даже
200 мм.
Это увеличение прока
л и в а е м ости, обусловленное никелем, является очень важным эле-
ментом его влияния, определяющим применение никелевой стали как
конструкционного материала для отливок.
5. Никель, уменьшая растворимость углерода в Fe= у, уменьшавi
чувствительность стали к перегреву и росту зерна при длительной вы-
держке в области высоких температур прй термической обработке.
Марганец, например, в противоположность никелю, повышает раствори-
мость углерода в аустените, вследствие чего при перегреве марганцо-
вистой стали резко увеличивается размер зерна (при более полном
растворении углерода в аустените карбиды уже не препятствуют росту
зерен. В производстве фасонных отливок эта роль никеля чрезвычайно
важна, так как позволяет при термически! обработке отливок с раз-
личной толщиной стенок давать длительную выдержку при достаточно
высоких температурах. Можно не опасаться, что длительная выдержка,
необходимая для гомогенизации в массивных сечениях отливки, вызо-
вет перегрев и рост зерна в тонких сечениях. Механические свойства
и строение стали получаются в тонких и в толстых частях равномер-
ными и одинаковыми. Отливки из никелевой стали обладают боль-
шой к н а з и и з о т р о п п е й.
1 См. Сборник памяти С С. Штейнберга. Термическая обработке стали Ме-
таллург плат. 1445.
Отливки uj никелевой стали
ЫУ
Перечисленные преимущества никелевой стали, ее хорошие стати-
ческие и динамические механические свойства, их равномерность
и надежность, -г- обеспечили широкое применение этой стали для раз-
личных ответственных отливок. Никелевая сталь является самой старой
и известной для легированного стального литья. Ее применяли для
цельнолитых рам паровозов, деталей горных машин, экскаваторов,
судов, силовых установок, тракторов, артиллерии, электромашинострое-
ния и т. д. Можно отметить, что никелевая сталь применяется и теперь
еще часто даже в тех отливках, для которых можно выбрать другую
сталь. Вместе q тем, необходимо всемерно стремиться к макси-
мальной экономии никеля как дефицитного, дорогого леги
рующего, стратегически важного элемента.
Марганцовистые, хромистые и даже кремнистые комплексные
стали во многих случаях могут быть полноценными заменителями инке
левой стали. Никель является незаменимым элементом для сложных
отливок, не допускающих резкого охлаждения при термической обра-
ботке, для массивных отливок, для отливок с высокой удар-
ной вязкостью прн низких температурах и для отливок
с некоторыми специальными физическими и химическими свойствами.
Но и для этих отливок необходимо путем комбинирования совмест-
ного влияния никеля и других элементов добиваться минимального его
содержания в стали.
В зависимости от содержания никеля и углерода сталь может при-
надлежать к перлитному, мартенситному и аустенитному классу, имея
также промежуточные и смешанные структуры. При определенном
содержании углерода, чем выше содержание никеля, тем меньше ско-
рость и ниже температура превращения — я. Аналогично влияет
И углерод при определенном содержании никеля. Согласно принятой
схеме изучения отливок из легированной стали необходимо рассмот-
реть свойства отливок нз никелевой стали следующих групп:
1. Отливки из низколегированной никелевой стали, содержащие
до 2% Ni. Они относятся к -перлитному классу области конструкцион-
ной стали.
2. Отливки из среднелегированной никелевой стали, содержащие
от 2 до 5% Ni. Они обладают, наряду с высокими механическими
свойствами, также и особыми химическими свойствами.
3. Отливки из высоколегированной никелевой стали с содержа-
нием выше 5% Ni могут принадлежать как к мартенситному, так
и к аустенитному классу. Отливки из мартенситной высоколегирован-
ной никелевой стали обладают особыми химическими свойствами (вы-
сокая коррозионная стойкость в щелочах} и имеют сравнительно огра-
ниченное применение. Отливки из аустенитной никелевой стали обла-
дают особыми фиэвческимн и химическими свойствами. Они имеют
сравнительно большее применение. Отливки из высоколегированной
никелевой стали комплексных составов (с алюминием, кобальтом, хро-
мом, медью) могут иметь строение а - и т-твердых растворов, или
смешанное двухфазное а + 7 и обладать специальными свойствам».
А. свойства отливок из низколегированной
никелевой конструкционной стали
I. Отливки нз чисто никелевой стали
Отливки из никелевой стали, содержащей до 2^ Ni, могут иметь,
в зависимости от взаимного содержания углерода и никеля, а также
принятого метода термической обработки, различные механические
войства. Обычно в практике низколегированная копстрккпионная нике-
620
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
левая сталь для отливок содержит 0,20—0,40% С, как и в обыкновен-
ной среднеуглероднстой стали (при 2% Ni содержание углерода в пер-
лите составляет еще 0,7—0,75%). Верхний предел в 0,4% С обеспечи-
вает повышение предела упругости при еще достаточно пластичной
ферритной мессе, но все же предпочтительнее иметь не выш е
0,30% С.
Нижний предел 0,20% С, так же как и в углеродистой стали,
определяется, с одной стороны, ухудшением литейных свойств, а с дру-
гой— относительно малыми показателями механических свойств. Они
не оправдывают легирование стали никелем до 2% для отливок, не
имеющих массивный стенок.
Для среднего содержании 0,25% С и закалки в масле с отпуском
на сорбит гарантийные механические свойства отливок из низколегиро-
ванной конструкционной никелевой стали могут быть охарактеризо-
ваны следующими минимальными показателями:
Вследствие малой критической скорости закалки, высокие механи-
ческие свойства могут быть достигнуты и после нормализации даже
для отливок со средними толщинами стенок, таблица 76.
Механические свойства низколегированной никелевой стали с различным содержа-
нием углерода по пробным планкам, термически обработанным вместе с отливкой
(№ 1—3 — денные автор». Л 4—7 — данные справочника, см. сноску стр 640
0,20 (,3-1
1,24
2,00
Тсрмичсскан
обработка
146
165
10,9111
9,0Ш
6.7111
8,2И
7,8И
кгм/см2; И-—проба Изол, кгм.
0,15
0,202,07
0,25 2,00
0,302,16
2,00
S00 в 4-850 в 4-650 в
900 в+ 850 в+650 в
900 и + 850 в + 650 в
940 в + 830 в 4 600 в
940 в+ 830»+ 600 в
900в +650 в
Примечания. I. Ш—проба Шарон,
2. В образцах № 1—3
Никелевая сталь nocie нормализации с отпуском обладает также
сравнительно высоким предетом усталости, около 28—32 кг мм-
(до 0,48 + ).
Указанные механические свойства никелевой стали могут быть
достигнуты и при применении других марок стали. Но они не будут
столь равномерны в крупных отливках, подверженных
большим динамическим нагрузкам.
Низкоуглеродистая конструкционная никелевая сталь, содержащая
0,09—0,18% С, имеет применение аналогично простой низкоуглероди-
стой пали, для отливок, подвергающихся цементации. В массив-
Отливки из никелевой стали
621
йых отливках зубчатых колес, эксцент риков и т. и. низкоуглеродистая
сталь при закалке после цементации не обеспечивает требуемой равно-
мерности свойств и высокой прочности в сочетании с корошей пла-
стичностью
Так как механические свойства никелевой стали определяются
преимущественно строением и свойствами никелевого феррита, то при
малом содержании углерода эта сталь обладает
высокой ударной вязкостью при низких темпериту
рах. Можно полагать, что, наряду с массивностью стенок отливки,
это свойство является часто определяющим выбор никелевой стали для
ответственных отливок, работающих при низких температурах (детали
артиллерийских систем и т- п.).
При этом, с повышением содержания углерода, пластичность при
низких температурах сравнительно мало меняется. Ударная же вяз-
кость уменьшается весьма резко даже при небольшом повышении
содержания углерода (табл. 77).
Таблица 77
2. Отливки из низколегированной никелемарганцовисгои
конструкционной стали
Уже отмена тось, что введение никеля уменьшает основной недо-
статок марганцовистой стали, неравномерность ее свойств п чувстви-
тельность к перегреву при термической обработке. Кроме того введе
ние никеля позволит распространить свойства марганцовистой стали на
отливки с более массивными сечениями, и упрочняя феррит, еще более
повысить прочность. При злом не будет такого понижения' пластично-
сти, которое получилось бы при повышении содержания маргалц ।
Рассматривая же влияние введения повышенного содержания марганца
сверх обычных 0,6—0,8% на свойства никелевой стали, можно устано-
вить, что это позволяет в известной степени понизить содержание ни-
келя, удешевить сталь.
На рис. 469 приведено изменение механических свойств ннкеле-
марганцовистой стали (t%| Ni и 1% Мп) в отливках с различной тол-
щиной стенок. Показатели =,, * и а* в отливках с толщиной
стенок даже больше 200 мм весьма мало Отличаются от отливок
с толщиной стенок 40 мм. Только при толщине стенок 400 мм наблю-
дается сравнительно заметное падение предела текучести п отношения
Из рис. 469 также видно, что хромомолибденовая сталь, например,
по прочности даже несколько превосходит никелемарганцовнетую
сталь в отливках толщиной до 120 мм. В отливках же более массив-
ных эта сталь таких равномерных и высоких показателей прочности
и пластичности уже не имеет. Благодари совместному влиянию марган-
ца и никеля на повышение прокаливаемости, можно получить высокие
622 Свойства сталмна отливок и влияние на них сватова стали
механические свойс* da при простом охлаждении и а воздухе
вместо более резкого охлаждения в масле.
Соответствующие показатели механических свойств после такой
термической обработки приведены в табл. 78. Они относятся ж никеле-
марганцовистой стали с обычно применяемым содержанием углерода.
0,20—0,35%, а никеля и марганца до 1,5% порознь. Очень часто в этой
распространенной стали придерживаются отношения Ni:Mn=l.
Иногда только, для отливок с весьма значительной толщиной стенок,
повышают содержание никеля до 2% и отношение Ni Мп до 2.
Таблица 78
Механические свойства никеле-иарганцовистой стали с различным седержаляем угле-
рода, никеля и марганца по пробным планкам (по различным исследованиям)
Состав стати 11 а.
.Механические свойства
Термическая
обработка
100
»/о
2,32
2,17
850в-!-Ь-Ов
в/0 в 4-650 в
1,20
1.20
1.16
1,20
900в + СЛв
900 в + 650 в
Предел усталости ннкелемаргвнцовистой стали также вы-
сок, достигая после нормализации в среднем 0,47 .
Никелемарганцовистая сталь обладает также хорошей индуктив-
ностью, что определяет ее применение для высоконапряженных отли
вок электромашиностроения (см. табл, 80).
Недостатком этой стали, так же, как и чисто никелевой, является
чувствительность к хрупкости отпуска. Однако можно ограни-
читься простым охлаждением отливки на воздуху после отпуска для
того, чтобы даже при 100 мм толщины стенок иметь слабо выражен-
ную хрупкость отпуска.
При необходимости очень медленного охлаждения отливки никеле
вую сталь следует дополнительно пегировать молибде-
ном.
3. Отливки из никелемолибденовой низколегированной
конструкционной стали
Введение молибдена в никелевую сталь не только уменьшает ее
чувствительность к хрупкости отпуска, но также повышает сопро
тивление ползучести и прокаливаемость. Требуемая
присадка молибдена сравнительно невелика (0,25—0,40%). Никелемо
либденовая сталь (0,20—0,40% С; 1,25—2,0% Ni и 0,25—0.40% Мо
применяется для высоконапряженных и сложных отливок, от которых
требуются высокие механические свойства только после нормализации
или при повышенных температурах.
Например, механические свойства никелемолибденовой стали
10,2—0,49? С; ~ 1,5% Ni; 0,3% Мо) после нормализации с 900° и от-
пуска на 650° характеризуются показателями ° 40—60 кг/ммг при
у 55—40%.
Несмотря иа такую высокую прокаливаемость рассматриваемой
Отливки из никелевой стали
стали, можно (путем закалки в воде с высоким отпуском (на 650 > еще
более повысить прочность (+ и 'ь до 65 и 85 кг/ммя) при сохране-
нии хорошей пластичности (?чн <, до 20 и 45%). Это свойство дает
возможность применять ее для массивных отливок цементуемых ше
стерен Например, сталь 0,18% С; 1,87% NI и 0,37% Мо не потеряла
своей высокой пластичности ни при различной скорости охлаждения,
ни при низком отпуске закаленной после цементации отливки
(табл 79)
Таблица 79
Механические свойства ниткоуглеродистой ннкелемолибденовой стали 1
Термическая обработка зл кг]мм* кг]м.^ Ч % 'о "в
Отжиг —950 п . 32.3 54,8 26.2 50,8 149
950 в -1- 650 в 42.2 59,1 27,2 52.2 164
850 м + 650 в 49,6 63,3 26,7 53,5 179
870 вд+650 в 52,0 66,8 25,8 1S7
( воПства юрдцсвп.ны опивки после цементации
Цементация при 930° .1 | I I;
420м 760 м -1-260 в Л 49.9 | 73.fi 2(1,5 0 1 ?1">
Таким образом, никелемолибденовая сталь с содержанием углеро-
да ниже 0,2% может обеспечить высокую прочность р пластичность
.ердцевины массивных цементуемых отливок.
Для службы при повышенных температурах мелкозернистое строе-
ние никелемолибденовой стали
в р ё д п о. Для повышения горячей
прочности и сопротивления ползу-
чести отливки из этой стали под-
вергают длительному отжи-
гу вместо нормализации
(рис. 433).
Как видно из данных рис. 433
сталь с 0,2% С, 1,6% Ni и 0.4% Мо
имеет при 500° предел текучести
21 кг!мл&, т. е. примерно равный a s
обычной углеводистой стали с та-
ким же содержанием углерода при
нормальной температуре. Эта вы-
сокая прочность обязана прежде
всего наличию молибдена в стали.
Роль никеля сводится преимущест-
венно к обеспечению равномерности
строения стали по сечению массив-
Рис. 433. Влияние никеля it молиб-
дена на прочность при 500° отож-
женной стали (950°)
ной отливки.
Например, ннкечевая сталь без
молибдена, несмотря на содержа-
ние 0,66% Сг, дает предел ползучести (0,1 % остаточного удлинения
в 1000 час.) при 430 й 480° всего 8,8 и 6,7 кг/лл2. Сталь с тем же со-
держанием никеля (~2% при 0,3—0,4% С), но с 0.8—0,9% Мо дает
предел ползучести уже 28 и 9 кг/мм*
1 Справочник по стальному лвтыо. ..гр, 207.
Свойства стильных отливок и влияние на них состава стали
Молибден играет аналогичную роль и в, никелемарганцовистои
стали. Достаточно 0,10—0,20% Мо для того, чтобы можно было под-
вергнуть отливку высокому отпуску с медленным охлаждением без
опасения получить хрупкость отпуска. Это имеет большое значение
для получения отливок, свободных от напряжений, но обладающих
высокой ударной вязкостью.
4. Отливки из иикелеванадиевой низколегированной
конструкционной стали
Как указывалось, никелевая сталь отличается крупнозернистым
строением при первичной кристаллизации. В массивных отливках эта
особенность стали выражена наиболее ярко и может привести к резко-
му падению пластичности и ударной вязкости, несмотря на тонкое
строение при вторичной кристаллизации (см. рис. 165). Поэтому не-
большая присадка ванадия (до 0,2%) в никелевую сталь части
необходима для массивных отливок.
При более высоком содержании ванадия, до 0,5%, ли данным ав-
тора, не только улучшается строение при первичной кристаллизации, но
умельчается п равномернее становится строение при вторичной кри-
сталлиза'ции. .Отливка уже в сыром состоянии не имеет видманштег-
говой структуры н получает такие строение перлита и феррита, кото-
рое характерно для отожженного состояния (рис. 434).
Для определения этого влияния ванадия была выбрана сталь со
сравнительно низким содержанием никеля (менее 1%), так как при
/ 2 3
Рис. 434. Влияние ванадия на умельчение строения и на получеяне структуры
отожженного состояния в сырой отливке аз стали с 0,5% Ni:
— строение в сыном состоянии отладки диаметром 30 им, галетой в пес аавуао .
ма стиля 0,30V, С; 0,б1*/« N1-, 0,375'/» F; i.Wi'/, S; 1 — строение той же отливка ыа стали
О.гв’/i О; 0,4W« HI; 0,<И9Ч» Р; 0Д5*/« 8 и 0,Ц*Ь V; 3 — строении то* же птлялжв к сыром
состоянип вз стали tO.ei’/i С; <М7‘„ №. 0.078‘/> Р, О.ММ’о S и 0,45* • V). X 100
более высоком содержании никель сам заметно умельчает строение при
вторичной кристаллизации. Кроме того, в стали специально было повы-
шено содержание фосфора и серы (до 0,08 и 0,055%) для получения
дендритного строения. Сталь была залита в песчаную и кокильную
форму (цилиндры диаметром 30 и 120 мм). Отливки из никелеванадие-
вой стали имели более глобулярное строение. При этом вид и распреде.
чение перлита и феррита в сырой стали с 0,5% V даже при заливке
Отливки из пиКеЛвбой стали
«26
в песчаную форму оказались характерными для отожженного состоя-
ния (см. рис. 434—3).
Прочность и пластичность никелеванадиевой стали удовлетвори-
тельны не только при нормализации, что важно для ликвидации про-
цесса резкого охлаждения в жидких средах, но и при простом отжиге.
Это обстоятельство играет большую роль при получении очень слож-
ных, длинных отливок (например, паровозных рам), претерпевающих
искажение размеров даже при нормализации.
Высокая ударная вязкость никелеванадиевой стали после двойной
нормализации сохраняется и прн низких температурах. Это часто пред-
определяет применение данной стали для отливок артиллерии, паро-
возов и вагонов, работающих в условиях севера, а также для различ-
ных деталей установок низкотемпературных процессов химической
промышленности. Например, сталь с 0,30% С; 1,0% Мп; 1,50% Ni
и 0,10% V показала по пробной планке ударную вязкость Шарля 10,4
6,8 и 6,0 кгм]см2 при +20, —45 и —65° соответственно.
Предел усталости подобной никелеванадиевой стали достигает
33 кг]мм2 (~ 0,48а„).
Рассмотренное влияние ванадия распространяется на комплексные
никелевые стали, дополнительно легированные марганцем, хромом, мо-
либденом. Характеристика показателен механических свойств такой нн-
келемарганцеванадиевой и другой подобной комплексной стали, как не
имеющая принципиального значения, здесь опускается.
Б. ОТЛИВКИ ИЗ СРЕД НЕ ЛЕГИРОВАН НОИ НИКЕЛЕВОЯ
КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ
ФИЗИЧЕСКИМИ Н ХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Дальнейшее повышение никеля от 2 до 5% вызывает еще боль-
шее упрочнение феррита. Еще больше повышаются показатели прочно-
сти °, и °в кг мм2, причем пластичность стали понижается сравни-
тельно мало. Если бы повышение у и ’ . наблюдаемое при таком
увеличении содержания никеля, производить за счет повышения содер-
жания углерода нли какого-либо карбидообразующего легирующего эле-
мента, то показатели пластичности и особенно ударной вязкости были
бы значительно ниже, чем в отливке нз никелевой стали. Это повыше-
ние прочности в массивных отчивках, при сохранении достаточно вы-
сокой пластичности, является одним из основных преимуществ не
только низко-, но и среднелегнрованнсй никелевой стали как конструк-
ционного материала.
Одновременно, по мере повышения содержания никеля, ие только
улучшаются мехаяическне свойства стали, но и приобретаются неко-
торые химические свойства. Так, например, сталь с 3% Ni обла-
дает высокой коррозионной стойкостью в морской воде. В связи с этим
сталь с 3% Ni, обладающая также высокой ударной вязкостью при
низких температурах, применяется для отливок гребных винтов ледо-
колов и океанских судов.
Сталь с 5% Ni обладает высокой коррозионной стойкостью в ще-
лочах, даже кипящих, что определяет ее применение для отливок со-
ответствующих областей химической промышленности.
Сталь с 3 н 5*/о Ni обеспечивает большую прокаливаемость самых
массивных отливок. Сталь с 5*/о Ni является «самозакаливающейся»,
дающей мартенситное строение при остывании отливки в форме
(рис. 164). В очень массивных отливках сталь с 5% NI после нормали-
зации с отпуском дает более тонкое строение, чем сталь с 3% N1
(рнс. 435).
40 8а и. 78. Ю. А Нехендэа
626
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Рис. 435. Строение стали с 3% Ni в отливке
л спасти гребного влита ледокола «Красин»
(слева) « с 5% N1 в отливке автоклава (справа).
Термическая обработка: 8 час. 1050 в 6 час
900 в + 6 час 650 в X 88
ной отлнвке автоклава ока-
залось уже при идентичной
термической обработке бо-
лее тонким (намечаются
только границы зерен пер-
вичной кристаллизации) (см
рис. 435, справа).
В обеих структурах
рис 435 обращает внима-
ние также кажущееся оди-
наковым количество карби-
дов. В действительности,
сталь с 3% Ni имела 0,31 %
С, а с 5% Ni только 0,15%
С. Отмеченное сходстио
структур объясняется влия-
нием никеля на передвиже-
ние влево эвтектоидной
точки 5. В результате,
сталь с 5% Ni и более низ-
ким содержанием углерода
дала, при одинаковой проч-
ности со сталью с 3% Ni,
ударную вязкость около
10 кгм1см\ Сталь же с
3% Ni дала а 7 кгм!см*
(Менаже).
Механические свойства
литой стали с 3 и 5% Ni
по сравнению со свойства-
ми других марок конструк-
ционной стали, имеющих
примерно одинаковый пре-
дел прочности, представле-
ны иа рис. 436 [170].
Структура стали с 3%
Ni получена в массивной
части лопасти гребного
винта ледокола «К р а-
с и н >. залитого автором
на Невском заводе
им. Ленина. Несмотря
на диффузионный отжиг,
замечается влияние крупно-
го зерна первичной кристал-
лизации, определившее не-
которую неоднородность
строения. Диффузионный
отжиг при более высокой
температуре, чем 1050°, ве-
роятно, улучшит бы строе-
ние. Для службы отливки
данное строение оказалось
удовлетворительным Но
строение стали с 5% Ni
также в достаточно массив-
Ряс. 436. Механические свойства среднелегиро-
ванной никелевой стали при различных режи-
мах термической обработки по сравнению со
свойствами некоторых других низколегирован-
ных марок стали, имеющих примерно одинако-
вый предел прочности:
1 — сырая; t — 800 П; а - ООО в + 650 в; « —
в»в+б5ом+б5ов:а— в час. аом в + «во в -г-
Я* в (свойств» иигелсвоВ стали по обраацам вл
ОТЛ1ВО», В других варок стали — по овраацан ке
пробных плавп»)
Отливки из никелевой стали
627
Необходимо также отметить в качестве специального физического
свойства среднелегированной никелевой стали ее большую маг-
нитную индукцию. Это свойство в сочетании с высокими меха-
ническими свойствами данной стали определяет ее применение в совре
менном электромашиностроении. В мощных электромашинах, с большим
числом оборотов в полюсных колесах развиваются большие центро-
бежные силы. Отливки колес имеют обычно большую толщину н долж-
ны обладать высокой и равномерной прочностью. Но одновременно
для лучшего электрического к- п. д. они должны быть магнитно
мягкими. Получение высоких показателей о, и за счет карбидобра-
зующих элементов связано с потерей магнитной мягкости.
Применением среднелегнрованной никелевой стали это противоре-
чие ликвидируется. Обеспечивается значение я, в 40 и до 70 кг/мм2
в самых массивных сечениях (до 400 мм) при удовлетворительных маг-
нитных свойствах (табл 80).
Таблвца 80
Механические и магнитные свойства среднелегнрованной никелевой стала
а огляакжх полюсных колес
200
Магнитная индукция в гаус-
сах при силе поля в эрстедах
100
300
2>Z,NI
16600 18000 19500 20000
141001 15950
17550
19050
19650
2,5»/eNi
15750 17050
19900
18600
20400
Вредное
вязкость никелевой стали
влияние углеррда
на ударную
Механические
свойства
особо резко сказывается прн очень низких температурах. При тем-
пературах службы отливок в различных холодильных установках ниже
—60—80"1 низколегированная никелевая сталь уже неприменима
(табл. 17). На стр. 515 указывалось, что при таких низких температу-
рах наилучшей ударной вязкостью обладает аустенитная сталь. Однако
для высоконапр^женных отливок при очень низких температурах аусте-
нитная сталь не может применяться вследствие малого предела теку-
чести. Для таких отливок следует применять среднелегиро-
ванную никелевую сталь'.
До недавнего времени удовлетворялись сталью, содержавшей
3,5—4,5% Ni и имевшей достаточно низкое содержание углерода
(0.10—0,15%). После двойной нормализации с отпуском такая сталь
давала ударную вязкость до 5 пгм/см2 по Шарли при —130°. Этот по-
казатель' считался предельным, так как закалка с отпуском не повы-
шала ударной вязкости из-за полной прокаливаемости стали в исследо-
ванных отливках уже прн нормализации. Но различные современные
исследования согласованно показали, что дальнейшее пониже-
ние содержания углерода до 0,02—0,04%, повышает
ударную вязкость отливок при —ВО3 вдвое. В стали
с наилучшим содержанием никеля (3.75—4,0 %) понижение содержания
углерода даже на каждую 0,01% ниже 0,10% уже оказывает боль-
шое влияние на повышение ударной вязкости при очень низких темпе-
ратурах (рис. 437).
40*
Л18 Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Содержание кремния и марганца во всех марках конструкционной
никелевой стали определяется изложенными ранее общими соображе-
ниями. Содержание же серы и фосфора для отливок из конст-
рукционной стали, в особенности работающих при низких температурах.
Рис. 437. Влияние содержания углерода на
ударную вязкость латой стали с 3,75% Ni при
эчень ниэичх температурах (подробным плавкам)
должно быть минимальным. Не следует допускать выше 0,03% S
и 0,02% Р, как бы ни была проста конфигурация отливки. Для дости-
жения высокой ударной вязкости при низких температурах необходимо
также специальными мероприятиями обеспечить чистоту отливки от
неметаллических и газовых включений вплоть до применения чистых
первородных шихтовых материалов,
в. отливки из высоколегированной никелевой
стали со специальными физическими и химическими
СВОЙСТВАМИ
1. Отливки из высоколегированной никелевой стали мартенситного
класса со специальными химическими свойствами
При содержании около Ю°/е Ni сталь принадлежит еще к мар-
тенситному классу. Она отличается чрезвычайно высокой стойкостью
в1 различных щелочах, что определяет ее применение в химической
промышленности. Исключительно тонкое строение элементов структу-
ры и большая иронатнваемость должны были бы обеспечить высокую
прочность’ при удовлетворительной пластичности даже в массивных от-
ливках. Но крупнозернистое строение при первичной кристаллизации
этой стали часто предопределяет преждевременный и хрупкий излом
отливок (см. рис. 37). Присадка ванадия и алюминия ие приводит
к практически заметному умельченню строения этой стели. Только
длительный диффузионный отжиг при высокой темпера,
туре несколько уменьшает опасность появления хрупкого межкристал-
литного, раковистого излома.
Отливки us никелевой стали
В»
Автор исследовал эту особенность стали с 1056 никеля в отлив-
ках, При обычной закалке с отпуском в строении отливки от-
четливо видны границы зерен первичной кристаллизации. При таком
строении получается низкая пластичность стали (8Б 4,0 и ф 7,0Ж при
°Л ПО кг/мм"* и —2,8 кгм/сж* по Менаже). Предварительный диф-
фузионный отжиг длительностью в 4 часа улучшил строение и свойства
стали, но все же не ликвидировал дефектов строения при первичной
кристаллизации, рис. 438.
Рис. 438. Границы зерен иерэичной кристаллизации в строена»
иысомолегирслянио! нмелвво! стали (0,18% С; 10,0% NI:
0,11% V; 0,07% AI) после закалки с отпуском (750 м + 600 п)
(слева). Слабо выраженные границы после диффузионного отжига
(4 часа 1150 в + 750 м + 600 п) (справа). X 100
Более длительная выдержка отливки толщиной 50 мм — до 8
и 24 час при 1150° несколько улучшила строение .и свойства (8S 15
и ф 20% при з* 120 кг'мм2 н а* 5 кгм/см2). Можно полагать, что
если бы соответствующим модифицированием стали или методикой ее
заливки удалось значительно умельчить строение первичной кристал-
лизации, то эта новая и еще мало известная сталь характеризовалась
бы еще более высокими свойствами.
Но, независимо от этих возможностей высоколегированная нике-
левая сталь мартенситного класса должна применяться преимуществен-
но только в связи со своими специальными химическими свойствами.
Дороговизна, высокая твердость (до 290 Нв) и рассмотренные особен-
ности механических свойств дайной стали ограничивают область
ее применения для отливок.
2. Отливки из высоколегированной никелевой стали аустенитного
класса со специальными физическими и химическими свойствами
Дальнейшее повышение содержания никеля до 25% ведет к полу-
чению высоколегированной аустенитной стали. Для стабильности аусте-
нита необходимо имеп> повышенное содержание углерода (0,4—0 6%).
Но и при этом содержании углерода аустенит получается лишь после
630
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стам
закалки с 1000° в воде. Никелевый аустенит значительно менее устой-
чив, чем марганцовый. В нем начинается превращение у — а при про-
стом охлаждении до низких температур (около —20°). Получаемая
при этом потеря немагнитности н других характерных свойств аусте-
нитной стали является необратимым процессом при последующем на-
греве до нормальной температуры. Вследствие этого отливки из не-
магнитной никелевой стали нужно применять с особой осторожностью
в арктических условиях.
Никелевый аустенит также не характеризуется столь сильным на-
клепом и самоупрочненнем, как марганцовый. Вследствие этого аусте-
нитные никелевые стали не обладают таким сопротивлением износу
как сталь Гадфильда. Но зато отливки из этой стали могут без особых
трудностей обрабатываться механически
Механические свойства аустенитной никелевой стали характери-
зуются, как всякой аустенитной стали, сравнительно низким пределом
упругости при хорошей пластичности. Для повышения % в эту сталь
часто вводят хром или вольфрам, примерно, до 4%. Соответствующие
карбиды могут блокировать плоскости скольжения, что ведет к повы-
шению^ до 35 против обычных 25—30 кг/мм2 в чисто никелевой
аустенитной стали.
Аустенитная никелевая сталь имела сравнительно широкое при
менение для отливок, от которых требовалась не маг нитность
и обрабатываемость. Вследствие дороговизны никеля эту сталь
нужно заменять высоколегированной марганцовой, в частности ста-
бильной обрабатываемой сталью с 17—20% Мп (стр. 603). Но так как
получение стали с 17—20% Мп требует низкоуглеродистого ферромар
ганца, то часто применяют ннкелемарганцовую аустенит-
ную сталь, в которой только часть никеля заменена марганцем.
«Аустенитизирующее» влияние марганца, как указывалось выше,
примерно в два раза интенсивнее никеля. Следовательно, при введении
4—5% Мп можно сэкономить около 8—10% Ni. Наиболее часто при-
меняется аустенитная нике темарганцовая сталь с 0,50—0,65% С,
14—16% Ni и 4,5 -5,5% Мп. Введение хрома (около 3,5%)' несколько
повышает предел упругости этой стали.
Никелемарганцовая аустенитная сталь обладает свойствами,
средними между чисто никелевой и чисто марганцовой аустенитной
сталью. По сравнению с никелевой она имеет несколько лучшее сопро-
тивление износу и худшую обрабатываемость.
Рассмотренные аустенитные никелевые стали обладают антикорро-
зионной стойкостью во многих средах и особенно в морской воде. Ин-
тересно влияние высокого содержания никеля на повышение сопротив-
ления коррозии стали в соляной и серной кислотах. Однако промыш-
ленной стойкостью в кислотах аустенитная чисто никелевая сталь все
же не обладает. Необходимо дополнительное легирование стали хро-
мом, молибденом, кремнием и медью с обязательным сохранением ау-
стенитной структуры и ведущего содержания никеля В частности, пол
ной устойчивостью в серной кислоте отличается сталь с 30% Ni;
10% Си и 3% Si, применяемая только в виде фасонных отливок.
Здесь опускается рассмотрение свойств жароупорных сплавов нп-
хромов и высоколегированной никелевой стали с различными специаль-
ными физическими свойствами (инвар, с 35—36% Ni, обладающий
очень малым коэфицнентом линейного расширения; элинвар, с 36% Ni,
12% Сг, 4% W и 2% Мп, обладающий нулевым значением темпера-
турного коэфициента модуля упругости; платинит, с 49% Ni. обладаю-
щий коэфициентом линейного расширения, таним же, как у платины
И стекла; нндилатанс, с 41% Ni, имеющий такую же низкую тепло-
Отливки из никелевой стали
631
проводность, как дерево и т. п.)- Сплавы нихромы рассматриваются
в курсе «Цветное литье» (см. рис. 466, стр. 667), а указанные высоко-
легированные стали очень редко применяются в виде фасонных отливок
3. Отливки из высоколегированной никелевой стали (а-сплавы)
со специальными физическими свойствами
Ранее отмечалось, что никелеалюминиевые стали (28% Ni я
14% А1), в особенности дополнительно легированные медью, кобальтом,
кремнием, обладают высокими магнитно твердыми свойствами. Меха-
нические свойства такой стали чрезвычайно низки. Сталя тверды и хруп-
ки (£?f —45—50), с трудом обрабатываются сверхтвердыми сплавами,
могут применяться только в литом состоянии. Отливки должны быть
с минимальными припусками на обработку (шлифовку), с литыми ды-
рами, проемами, зубцами.
Отливки отличаются очень крупнозернистым строением. Оно зави-
сит от толщины отливки, материала стенок формы и температуры за-
ливки. Вместе с тем прн заливке в металлические формы, вследствие
большой хрупкости стали, в отливках магнитов часто образуются хо-
лодные трещины. С другой стороны, если при заливке в песчаную фор-
му образуется грубая литейная корка, то она является очагом концен-
трации напряжений и возникновения поверхностных холодных трещин
при закалке. Эти особенности стали очень усложняют производство.
Магнитные свойства отливок, залитых в песчаные формы, бывают
обычно выше, чем у залитых в металлические формы, но только после
термической обработки. Отливкн нужно нагреть до 1100—1300° и зака-
лить в струе сжатого воздуха или еще лучше в горячей воде и даже
расплавленном свинце [iSOj. Слишком сильное охлаждение (выше 20—
40°/сек. через 1000°) не даст оптимума коэрцитивной силы. Отпуск для
дисперсионного твердения производится прн 600—700° в течение i—
5 час. Излишняя выдержка понижает коэрцитивную силу.
Работы Б. Г. Лившица [1501 доказали, что правильной «критиче-
ской» скоростью охлаждения отливки от температуры однофазной об-
ласти можно получить ббльшую коэрцитивную силу, чем при указан-
ной закалке на твердый раствор с последующим отпуском.
Состав стали и соответствующие режимы термической обработки
могут быть установлены, для получения оптимальных магнитных свойств,
только в зависимости от конфигурации отливкн
н метода ее заливки. Поэтому опубликованные многочисленные
данные о различных составах и свойствах ннкелеалюминиевой' стали
и ее модификаций нельзя обобщать без учета конкретных местных ус-
ловий. Рассмотрение этих данных, составляющих предмет специал ной
области металловедения, опускается.
Можно только отметить, что на рис. 362 приводились для иллю-
страции данные о влиянии скорости охлаждения на магнитные свой-
ства литых магнитов из никелеалюмиинекобалътовой стали, а на
рис. 363 — о влиянии оптимальной толщины стенок отливки на требуе-
мое содержание алюминия в никелеалюминиевой стали. Последние дан-
ные относились к заливке в песчаные, а не металлические формы.
Кроме того, указывалась абсолютная толщина стенок отливки, а не
приведенная, что необходимо всегда учитывать при всяком обобщении.
Для иллюстрации рассматриваемой условности обобщения подобных
данных, автор произвел заливку отливок одинаковой толшины в пес-
чаную и металлическую форму. Строение этих отливок представлено
на рис. 439.
Несмотря на малую толщину отливки (квадрат 10 ад), усматри-
вается крупное зерно прн заливке в песчаную форму Избыточная фаза
63?
Свойства стальных отливок л влияние на пйк состава стали
успела выделиться п коагулировать не только по границам, но и внут-
ри зерна. Строение же стали в кокильной отливке обеспечило в сыром
состояний коэрцитивную силу в 390 трстед при остаточной индукции
Рис 439. Строение высоколегированной никелеалю-
миниевбй стали (0,1% С; 26,7% №, 13,5% А1)
в отливке матта 10 X 10 X 80 мм в сыром со-
стоянии пре заливке в песчаную (слева) и кокиль-
ную форму (справа). X 150
в 6700 гауссов. Эти свойства могут быть повышены последующим
отпуском. Для многих условий работы магнитов эти свойства, хотя
и не оптимальны, но удовлетворительны. Поэтому в практике довольно
часто ограничиваются заливкой в кокиль без всякой или с простой
последующей термической обработкой.
Г. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ НИКЕЛЕВОЙ
СТАЛИ В СВЯЗИ С ЕЕ ЛИТЕЙНЫМИ СВОЙСТВАМИ
1. Жидкотекучесть и кристаллизация никелевой стали в отливках
Повышение содержания никеля до 0,5—1,0% резко уменьшает
жидкотекучесть (при перегреве в 50° над ликвидусом), затем не изме-
—jt (см. рнс. 230). Это влияние
никеля объясняется уменьше-
нием температуропроводности
и температуры плавления,
расположением и характером
интервала затвердевания ста-
ли в зависимости от содержа-
ния никеля и прекращением
двухфазной кристал чизации
8 + 7 при№>3%, рнс. 440.
В никелевой стали с
0,4% С имеются, как и в угле-
родистой стали, перитектиче-
ские превращения по линии
Рис. 440, Интервал и характер затвердева-
ния стали с 0,4% С s эамс»<остн от со-
держания никеля (со разным нее ледова -
«ням)
Они заканчиваются в
стали с 0,4% С при 3—4% Ni
При дальнейшем повышении
содержания никеля идет уже
только однофазная кристалли-
зация.
В стали с 0,4% С при повышении никеля до 1—2% повышается
температура солидуса, уменьшается интервал затвердевании. При даль-
нейшем повышении содержания никеля интервал затвердевания уже не
Отливки ив няквлелоЛ стали.
изменяется, оставаясь очень малым (всего около 20°). С самого начала,
при повышении содержания инкеля понижается температура ликвидуса.
Практическая же жидкотекучесть при постоянной температуре
заливки сразу увеличивается при повышении содержания никеля вслед-
ствие понижения как теплопроводности стали, так и температуры лик-
видуса, рис. 441 [17].
При более низком содержании углерода в никелевой стали область
перитектических превращений расширяется, захватывая более высокие
1520 1SU
из
T5Q
675
600
525
450
375
300
225
/50
75
№00 /460 /600 1540 ЧЛО
Температура, *С
Рис 441. Влияние иля ел я ва повышение практической жидиотежу-
чести стали с 0.4% С
содержания никеля. При этом интервал затвердевания стали уже уве-
личивается при повышении никеля до 3,5%, а затем вновь уменьшается,
оставаясь почти неизменным. Практическая жидкотекучесть стали
Рис 442. Интерват я хирактер затзердевнння
стали с 0,2% С в зависимости от содержания
никеля и влияние инкеля на практическую жид-
котекучесть такой стали
с 0,2% С, в противоположность стали с 0,4% С, уже интенсивно уве-
личивается при повышении содержания никеля до 3,5% и затем уменье
Шлется, рис. 442 [3].
634
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Б зависимости от содержания углерода, никель
увеличивает практическую жидкотекучесть стали.
Относительное' влияние углерода на повышение жидкотекучести стали,
конечно, более интенсивно, чем никеля. Однако, вследствие более
высоких абсолютных содержаний никеля, практическая жидкотекучесть
Рис. 443. Относительное влияние углерода и никеля
ва практическую жидкотекучесть стани, определяемую
температурой заливки, необходимой для заполнения
спирали /-300 мм (для углеродистой стали по дан-
ным рис. 377, дли никелевой—по данным рис. 441)
никелевой стали, особенно высоколегированной, значительно выше, чем
простой, углеродистой, рнс. 443.
Несмотря на малую теплопроводность и хорошую практическую
жидкотекучесть, никелевые стали приходится разливать с большим
перегревом (например, температура разливки высоколегированной
ннкелеалюминиевой стали 1500—1400° по Пиропто). Вследствие малого
интервала затвердевания и большой скорости кристаллизации аустенита
никелевые стали быстро и внезапно затвердевают. Поэтому скорость
заполнения форм никелевой сталью должна быть более высокой,
чем при углеродистой.
Такой метод заливки способствует крупнозернистому строению прн
первичной кристаллизации, характерному для отливок нз никелевой
стали. Отливки массивные или из высоколегированной никелевой стали
отличаются ярко выраженным строением транскристаллизацин.
2. Усадка и связанные с ней явления в отливках из никелевой
стали
Усадочные раковины в отливках из никелевой стали полу-
чаются всегда значительно ббльших размеров, чем из обычной углеро-
дистой. Объясняется это необходимостью применения более высокого
перегрева при разливке никелевой стали и большим коэфицнентом
усадки жидкого металла. Решающее влияние оказывает уменьшение
теплопроводности стали при повышении содержания никеля. Как видно
из рис. 358, влияние никеля на уменьшение теплопроводности стали
сильнее всех других элементов. Особенно резко понижает-
ся теплопроводность аустенитной никелевой стали, достигая всего
0,02 Кал/°С - см - сек, т. е. в 6—7 раз меньше, чем у обычной углероди-
стой стали. Поэтому* в отливках нз никелевой стали приходится уста-
навливать прибыли большего размера, чем в отливках из
других марок стали.
Отливка из никелевой стали
635
Прибыли от отливок магнитов можно удалять только отбивкой. По-
этому подвод метвлла и установка прибылей на таких отливках про-
водится обычно так, как <приинто для отливок из ковкого чугуна. В ча-
стности, по данным С. Я. Кармазина [171], литник может подводиться
просто в прибыль, соединенную питателем с отливкой, рис. 444.
При изготовлении отливок из никелевой стали приходится также
применять специальные меры по борьбе с образованием горячих тре-
щин. Доперлитная усадка в критическом интервале заметно выше по
сравнению с углеродистой только у никелевой аустенитной стали. По-
этому основной причиной образования горя-
чих трещин в отливках из обычной никелевой
стали является ее малая теплопроводность и
крупное строение при первичной кристаллиза-
ция. На рис. -236 приводилось влияние ни-
кели в стали с 0,4% С на прочность при
Рис 445. Влияние ппкечя на пластичность
л прочность стали с 0,2% С в критическом ин-
тервале температур обраэоияння горячих трещин
при остывании отливки в форме
Рис. 444. Схема
чилийки магнитов
из высоколегиро-
ванной никеле-
влюминиевой ста-
л14 (подвод метал-
ла непосредствен-
но в прибыль,
станочная зативка)
остывании 'В форме. В никелевой стали с более низким содержанием
углерода (0,2%) также не наблюдается заметное для практики повы-
шение пластичности или прочности в критическом интервале темпера-
тур образовании горячих трещин, рис. 445 {89]
Термические напряжения в отливках из никелевой стали
ври прочих равных условиях, тем больше, чем выше содер-
жание никеля. Они всегда больше, чем1 в отливках из простой
углеродистой стали, что прежде всего объясняется сильным влиянием
никеля на понижение теплопроводности стали и температуры превраще-
ния т -*а (см. табл. 43 и 44).
Усадочные напряжения, так же, как н для высо<комарганцовой
стали, могут достигать значительной величины в отливках из аусте-
нитной никелевой стали, имеющей величину послеперлитной усадки
в полтора раза большую, чем у углеродистой стали. Фазовые же напря-
жения велики в отливках из конструкционной никелевой стали перлит-
ного и особенно мартенситного класса. В отливках из аустенитной ста-
ли фазовые напряжения могут возникнуть только при резком охлажде-
нии ниже нуля, когда, вследствие малой стабильности никелевого
аустенита, происходит его превращение.
Соотношение, распределение и возможная величина термических
и фазовых напряжений в изделии из никелевой стали всех трех классов
рассматривались достаточно подробно выше (см. рис. 239). Борьба
63П
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
с холодными трещинами в отливках из конструкционной и магнитной
никелевой стали требует специального внимания в производстве.
Практические величины усадки отливок из никелевой стали обычно
не отличаются от таковых для углеродистой стали при одинаковом
содержании углерода (см. табл. 43).
II. ОТЛИВКИ ИЗ ХРОМИСТОЙ СТАЛИ
Как известно, хром, аналогично кремнию, сужает область т-твер-
дого раствора, замыкая ее при 12,5% Сг в системе Fe — Ст. Следо-
вательно, при Сг > 12,5% получаются чисто ферритные стали, не -име-
ющие фазовых превращений. Однако при наличии углерода область
7-твердого раствора замыкается при более высоких содержаниях хро-
ма. Например, при 0,25% С ферритные стали получаются уже при
23% Сг, при 0,4% С — при 30°/D Сг и т. д.
В зависимости от взаимных содержаний хрома и углерода полу-
чаются либо стали с фазовыми превращениями, т. е. мартенсит-
ного или перлитного класса, либо без фазовых превращений,
ферритного класса. Для отливок применяются иногда также стали про-
межуточного строения «ч а с т н ч н о-ф е р р и т н ы е», называемые
обычно «полуферритными». В них часть кристаллитов, вслед-
ствие явлений кристаллической ликвации, содержит такое низкое содер-
жание углерода и такое высокое содержание хрома, что они не имеют
никаких фазовых превращений, т. е. характеризуются чисто ферритным
строением. Другая же часть кристаллитов имеет уже такие содержания
углерода и хрома, которые делают возможным превращения.
Наконец, при соответствующем высоком содержании углерода
получаются карбидные и ледебуритные хромистые стали.
Последние являются, по существу, высоколегированными хромистыми
чугунами.
Таким образом, оценку строения и свойств отливок из хромистой
стали необходимо производить не только по содержанию хрома, но
обязательно с учетом содержания углерода.
Рассматривая диаграммы состояний и строение отливок, можно
отметить, что в области доэвтектоидной хромистой стали находятся
конструкционные низко- и среднелегированные стали. Последние обла-
дают одновременно с высокими механическими также специальными
физическими или химическими свойствами. При более высоком содер-
жании хрома в области ферритного, мартенситного, карбидного или
ледебуритного класса находятся уже высоколегированные хромистые
стали со специальными химическими и физическими свойствами.
А. СВОЙСТВА ОТЛИВОК ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ
ХРОМИСТОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
1. Отливки из чисто хромистой стали
Хромистая конструкционная сталь имеет весьма широкое примене-
ние для фасонных отливок, особенно комплексных составов с молиб-
деном, никелем, кремнием и марганцем. Хром сильно влияет на уве-
личение нрокаливаемости стали, на понижение критической
скорости закалки, что обусловливается его растворимостью в цемен-
тите. Благодаря этому, хром замедляет скорость выделения сложных
железохромистых карбидов из твердого раствора и уменьшает способ-
ность к их укрупнению. Хром также передвигает влево эвтектоидную
точку S. При данном содержании углерода, чем выше содержание
Отливки из хромистой стали
637
хрома, тем большее количество хрома будет в твердом растворе в спе-
циальных карбидах и тем меньше критическая скорость аакалкн стали.
Влияние различного содержания хрома на критическую скорость закал-
ки в зависимости от содержания углерода представлено на рис 446.
Рис. 446 Прокаливаемость хроыистой стали в зависимости
от содержания хрома и углерода в цилиндре диам. 60 мм
после закалки с 900°
При содержаний около 0,5% Сг его влияние на равномерное рас-
пределение высокой твердости по сечению, т. е. на большое понижение
критической скорости закалки, имеет место только в области доста-
точно высокого содержания углерода. Более резко влияет на пониже-
ние критической скорости закалки уже 1,0—1,5% .Сг, но и это его
содержание эффективно действует, начиная примерно с 0,3—0,4% С.
Ниже 0,3% С даже 1,5% Сг влияет сравнительно слабо, так -как
хром находится преимущественно в твердом растворе в феррите, а не
связан с углеродом в карбиды. При дальнейшем повышении содержа-
ния хрома до 2% влияние его на понижение критической скорости за-
калки сказывается уже при более низком содержании углерода.
результаты приведенного исследования могут количественно изме-
няться в отливке другого сечения. Но они указывают, что взаимное
содержание хрома и углерода и их соотношение оказывают различ-
ное влияние на критическую скорость закалки.
Из изложенного следует, что хром резко повышает сопротивление
пластическим деформациям, одновременно интенсивно понижая пла-
стичность стали (карбиды хрома активно блокируют плоскости сколь-
жения). Благодаря тому, что хром замедляет превращение 7_>3.
а выпадение карбидов происходит при сравнительно низких температу-
рах, строение стали получается чрезвычайно мелкозернистым, что так-
же повышает прочность.
Вследствие малой критической скорости закалки хромистой стали
можно получить равномерные механические свойства и отливках более
массивных, чем это имеет место для марганцовистой и даже никелевой
стали. Кроме того, при термической обработке отливок одинаковой
конфигурации можно применять меньшую скорость охлаждения (напри-
мер, в масле вместо воды илн на воздухе вместо масла).
Хромистая сталь из-за округленных и мелких частив карбидов
имеет при одной и той же величине °в более высокую пла-
стичность, чем углеродистая сталь. Это является очень
6М
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
важным преимуществом хромистой стали, если даже не учитывать
равномерности механических свойств.
В хромистой стали происходит медленная коагуляция мелких
карбидов при отпуске или при нагреве отливки в условиях службы.
Этим облегчаются условия снятия напряжений и повышается сопротив-
ление износу и ползучести
В стали с высоким содержанием хрома и углерода сопротивление
износу будет выше, чем в чисто высокоуглеродистой стали, имеющей
даже мартенситно-трооститную структуру. Высокое сопротив-
ление износу является одним из условий, определяющих примене-
ние хромистой стали для отливок и даже позволяющих заменять в не-
которые случаях сталь Гадфильда.
В зависимости от требуемых свойств отливки, ее конфигурации
и режима термической обработки состав конструкционной хромистой
стали следует выбирать с различным содержанием хрома
и углерода.
Отливки из наиболее распространенной низколегированной хроми-
стой стали характеризуются сравнительно высоким значением зл и аь
при достаточно удовлетворительной пластичности. Они имеют обычно
состав 0,35—0,45% С; 0,25—0,45% Si; 0,6—0,8% Мп; 0,7—0,9% Сг.
Меньшее содержание углерода не применяется вследствие рас-
смотренного влияния хрома.
Средние показатели механических свойств подобной стали, полу-
ченные автором методом больших чисел по образцам, вырезанным не-
посредственно из кокильных отливок толщиной около 40 мм. характе-
ризуются (закалка в воде 4~ 40° с 850° и отпуск на 650°):
кг. мм? а*, кг мм? -^*-100,% 8|0*1() О,° 0 ак, кгм см' (Менаже)
48—53 65—70 70 16—18 35 -45 6—10
На рис. 436 приведено влияние различных методов термической
обработки, включая диффузионный отжиг, на изменение свойств этой
конструкционной стали. Характерно, что в отливках до 60 мм толщины,
механические свойства получаются одинаковыми при закалке в масле
вместо воды. Это имеет существенное значение для получения здоро-
вой отливки.
Необходимо, однако, отметить, что такая прокачиваемость полу-
чается только при содержании Мп >0,6%. С другой стороны, при
чрезмерно повышенном содержании марганца, в отливках при закалке
в воде получается повышенный брак из-за трещин. Исследования авто-
ра установили, что для кокильных отливок с толщиной стенок около
40 мм необходимо иметь, для возможности резкой закалки, три 0,4 % С
предельные содержания марганца к хрома по соотношению [С + Мп +
+ Сг] =*2%, что дает 0,8% Мп прн 0,8% Сг. Но не следует считать,
что в соотношении [С +'Мп + Сг]—2% подразумевается эквивалент-
ное влияние на прокаливаемоеть С, Мп и Сг порознь. Это соотношение
принято в качестве удобного рабочего положения для анализа конкрет-
ных условий закалки стали 0,35—0,45% С, 0,6—0,8% Мп и 0,7—
0,9% Сг.
Строение подобной низколегированной хромистой конструкционной
стали, содержащей 0,37% С, представлено на рис. 447 Оно вполне
сравнимо со строением высокоуглеродистой стали с 0,55% С
(см. рис. 171). Однако, несмотря на видимую идентичность структур
Отливки из хромистой стали
639
и одинаковые величины и °®. пластичность хромистой ствли значи-
тельно выше, чем у углеродистой стали ( 40% против 20%).
Эта более высокая властичность определяется сравнительно низким
содержанием углерода в хромистой стали, дающим, однако, высокое а *
вследстаие рассмотренного влияния хрома
Максимальная толщина стенок, получающая равномерные механи-
ческие свойства в отливке из стали ~ 0,4 % С и Сг до 1% при закал-
Рис. 447. Строение низколегированной хромистой ста-
ли (0,37% С, 0,81% Сг: 0,75% Мп) в сыром литом со-
стоянии (слева) и после улучшения (850 и+ 650 в)
(справа)
ке в масле, составляет 60—80 мм. При большей толщине стенок необ-
ходимо применять более резкое охлаждение при закалке или повысить
содержание хрома и углерода для увеличения прокаливаемости.
Пр.и повышении углерода сверх 0,45% значителен
н о увеличиваются зт и о^но сильно понижается пластич-
ность. Поэтому для отливок с большой толщиной стенок и зи с боль-
шей прочностью, чем может дать сталь с 0,4% С; 0,8% Мп и 0,8% Сг,
можно применять высокоуглеродистую хромистую сталь только при от-
сутствии требований к высокой пластичности. При этом необходимо
также учитывать, что отливки из подобной стали, вследствие ее малой
теплопроводности и пластичности и низких температур фазовых пре-
вращений, не следует подвергать закалке в воде или в масле. Такая
сталь применяется для отливок, работающих преимущественно и а
износ и подвергаемых отжигу или нормализации.
Высокое сопротивление износу отливок из низколегированной хро-
мистой стали (0,45—0,60% С; 1.0—1,5% Сг) основано, -в отличие от
стали Гадфильда, на их высокой начальной твердости.
Подобная сталь так же, как и высокоуглеродистая кремнистая, мо-
жет иметь даже преимущество перед сталью Гадфильда. Оно будет во
всех тех случаях, когда при износе нет ударной нагрузки, когда тре-
буется высокий предел упругости или необходима механическая обра-
ботка. Цементация таких отливок после обработки и достижения на их
поверхности, твердости, соответствующей 160 против 90 kzImm*
в нормализованном состоянии, еще более повышает сопротивление из-
носу (рис. 448).
Низколегированная хромистая сталь может применяться как кон-
струкционный материал лишь для отливок сравнительно ограниченной
i644i Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
толщины (60—80 жж) и относительно невысокой пластичности. Поэтому
более распространены хромистые стали, дополнительно легированные
Рис. 448. Извос оглиаок из стали различных
нарос м с различным при различных нагруз-
ках и треиш с песком (по разным исстедова-
ниям)
соответствующими элементами. Наибольшее распространение в прак-
тике получила присадка молибдена и соответствующая хромомолибде-
новая сталь.
2. Отливки из конструкционной низколегированной
хромомолибденовой, хромованадиевой и хромовольфрамовой стали
Молибден, ванадий, вольфрам как карбндобразующие элементы
более сильные, чем хром, вводятся для дальнейшего замедления ско-
рости превращений и, следовательно, повышения прокаливаемости
и прочности стали Введение молибдена одновременно понижает
чувствительность к хрупкости отпуска, повышает сопротивление ползу-
чести, улучшает обрабатываемость, ударную вязкость. Введение вана-
дия улучшает строение при первичной кристаллизации, повышает
прочность, мало влияя на пластичность Влияние вольфрама во
многом подобно влиянию молибдена
На рис. 468 представлено строение типовой конструкционной хро-
момолибденовой стали среднего состава с 0,3% С, 0,85% Сг, 0,30% Мо
после нормализации и закалки с отпуском в отливках с различной тол-
щиной стенок (от 40 до 400 жж) Эта сталь дает сравнительно равно-
мерное строение при закалке в масле с отпуском для отливок до
120- мм толшины стенок. Как усматривается из рис 469, сильное паде-
ние osn —. 100 начинается только с толщины стенок отливки > 120 мм.
Состав конструкционной низколегированной хромомолибденовой
стали характеризуется общими пределами, 0,25—0,40% С, 0,60—1,0%
Сг, 0,26—0,40% Мо.
Большим преимуществом этой ствли, часто определяющим ее при
менение для отливок сложной конфигурации, является обеспечение
сравнительно высоких механических свойств уже при простой норма-
лизации (см. рис. 469).
Для дальнейшего повышения прочности при сохранении удовлетво-
рительной пластичности можно еще повысить содержание хрома, при-
держиваясь, однако, нижнего предела в содержании углерода Полу-
дтливки из хромистой £там
641
чаемая сталь 0,25% С. 1,50% Сг и 0,4% Мо характеризуется, напри-
мер, после нормализации с отпуском (900 в + 650 п);
о^кг'ММ2, -зь,кг чм! -5*- «JOO* „ а4,% ф,0 , //и
55,0 0,70 °* 75 25,0 40,0 200
Для дальнейшего повышения сопротивления износу и прочно-
сти за счет сильного понижения пластичности следует
повысить содержание углерода. В предельном случае, дли износо-
упорных отливок без ударных нагрузок, возможно достичь твердости
500 Нв в нормализованном состоянии. Литая сталь ~ 1,0% С;
rv 1,0% Сг и 0,25% Мо после нормализации 830 в+ 590 п имеет
а4 и о^до 65 и 160 кг]мм2 нри н .1 около 10%.
Содержание молибдена может быть понижено до 0,15%
при введении бора в случае низкого отпуска. Оно во всех слу-
чаях должно быть повышено и достигать даже 0,5—0,7% и 1,0%
для высоконапряженных отливок, работающих при повышенных
температурах. Можно принять, на основе разных исследовании,
что сталь 0,3—0,4% С; 0,5-—1,50е/» Сг и ~0,60% Мо а отожженном
состоянии имеет сопротивление ползучести при 480 и 540° 25,0 и
3,8 кг/мм2 (1% остаточного удлинения за 10000 час.). Его можно пови-
си ть при 540° до 10 кг/мм2 (1% 8 за 10 000 час.) применением стили
с более .высоким содержанием хрома и молибдена
(0,20% С; 2,0% Сг; 0,7—1,0% Мо).
Однако при таких температурах даже эта сталь ие обладает тем
высоким сопротивлением ползучести, которое должно характеризовать-
ся 1% остаточного удлинения не в 10000, а в 100 000 час. Эта сталь до-
пускает напряжения прн 480° и 1% остаточного удлинения в 100 000 ча-
сов всего 11 кг/мм2, а прн 540 и 640° только 5,0 и 1,0 кг!мм2 соответ-
ственно.
Влияние ванадия на повышение пластичности маргаицехроми-
стой стали рассматривалось выше. Оно сохраняет свою силу и для
чисто хромистой стали. При содержании 0,3—0,4% С небольшая
присадка ванадия (до 0,2%) настолько увеличивает прокаливаемость.
что в отливках с толщиной стенок до 60—80 мм при заквлке в масле
или на воздухе получаются одинаковые механические свойства (=5 03
45—50 кг[мм* и ф 45—55%).
Высокоуглеродистая хромованадиевая ствль (~ 0,75 % С) приме-
няется для отливок с высоким сопротивлением износу.
Еще большим сопротивлением износу, в особенности при нагреве,
обладают хромовольфрамовые стали, что определяет их приме-
нение для валков и оправок трубопрокатных станов. Сталь содержит
0,3—0,8% С; 1,8—2,1% Сг и 1,0—1,2% W и может быть термически
обработана иа оь 125—190 кг/мл»2.
Однако, вследствие трудностей такой обработки, чрезмерной твер-
дости и Мвлой пластичности, отливки характеризуются обычно показа-
телями не выше 120 кг/мм2.
Содержание углерода в хромовольфрамовой стали должно быть
тем меньше, чем массивнее отливка, во избежание крупных
скоплений сложных хромовольфрамовых карбидов; его пределы —
0,3—0,8%. Роль вольфрама в отливках из этой стали определяется егй
влиянием на повышение температуры отпуска и на устойчивость струк-
туры. Сочетание этих свойств с сильным карбидобразующим действием
вольфр'ама и обусловливает хорошее сопротивление износу при высо-
ких температурах. Пониженная пластичность и мвлая теплопровод-
ность этой стали, а также массивность соответствующих отливок (вал-
ки) определяют термическую обработку, состоящую обычно из просто-
го отжига или редко улучшения (табл. 81).
41 Зак. 79. Ю. А. Нехеядзм
Свойства стальных отливок и влияние нЪ нкх состава стали
Таблица 81
Механические свойства хромоволъфрямовой стали при отжиге и улучшении отливок
валков
Сталь с меньшим содержанием хрома я вольфрама может тясже
дать подобные механические свойства, но обладает меньшим сопротив-
лением износу при высоких температурах. Она поэтому может приме-
няться только для отливок, работающих в менее напряженных усло-
виях износа.
Б. ОТЛИВКИ ИЗ СРЕДНЕЛЕГИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ
ХРОМИСТОЙ СТАЛИ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ
ФИЗИЧЕСКИМИ И ХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
В сложной гамме многочисленных составов отливок нз различных
марок легированной ствли предложенное выше разграничение на низ-
ко-, средне- и высоколегированные стали весьма условно. Однако, на-
блюдается определенная закономерность. Ствль, содержащая выше 2%
легирующего элемента, является не только конструкционным материа-
лом с высокими механическими свойствами. Она обладает обычно
и какими-либо специальными физическими и химическими свойствами,
часто определяющими ее Применение. С этой точки зрения, рассмот-
ренные хромовольфрамовые или даже хромистые стали с высоким со-
держанием углерода, содержащие суммарное количество легирующих
элементов выше 2% и обладающие специальными физическими свойст-
вами, могли бы быть также отнесенными к группе средне легированной
стали. Для упрощения изложения разбивка на перечисленные группы
производится по содержанию только главного элемента, а не сум-
марному всех легирующих элементов.
1, Отливки из среднелегнрованной конструкционной хромистой
стали, обладающие специальными физическими свойствами
При необходимости сочетать высокую прочность с достаточно удов-
летворительной пластичностью, а во многих случаях и с высоким со-
противлением износу отливок массивных сечений можно применять
сталь с 3% Сг (табл. 82).
При дальнейшем повышении содержания хрома до 4—6% не толь-
ко сохраняются высокие механические, но приобретаются некоторые
специальные физические н химические свойства,
1, 5^-ная хромистая сталь отличается чрезвычайной стойкостью
Против действии водорода и сернистого водорода при темпера-
туре 500—600° и высоком давлении. В литых деталях башен, служа-
щих для получения синтетического азота, а также в автоклавах и
в других отливках, применяемых для гидрогенизации, крекинга и тому
Gtmuku ua хромистой стали
613
подобных процессов, выделяющийся водород при высоком давлении
и высокой температуре очень легко разрушает ствль.
Таблица 32
Механические свойства литой средне легированной хромистой стали при различных
термических обработках
Состав, Ц.с
С SI Мп Сг
Термическая
обработка
кг]мм?
Механические свойства
Зг>
кг] мм*
— 100
Y
0.36 0,23 0,41 3,00
0. Зв 0,27 0,78 2,87
ООСГв + СЖГП
В00м4-Ь2оп
970 м 4 620 и
900 вд 4*620 я
66.1
77,3
85,6
89.3
83,0
103,0
99,8
106,0
80
85
85
85
23,0
10,0
15,0
14,0
51,0
29,9
34,0
29,0
На рис. 449 представлено строение никелевой стали в отливке ав-
токлава, очень быстро вышедшего из строя вследствие того, что водо-
род произвел как бы «выщелачивание* углерода. Строение этой стали
получилось чисто ферритным с мякропорами в тех местах, где нахо-
дились карбиды. В этой же отливке из стали с 5^ Сг, отличающейся
высокой дисперсностью и ус-
тойчивостью карбидов, водо-
род не смог уже реагировать
с карбидами и вызвать разру-
шение изделия
2. 5%-ная хромистая
ствль обладает высокой
прочностью при повы-
шенных температурах,
сохраняя сравнительно высо
ксе значение предела упруго-
сти до температуры 600°. Так,
например, по данным автора
сталь с 0,14% С и 5,09% Сг
прн кратковременных горячих
испытаниях прн 400, 550 и
600? дала с, 45,0, 31,0 и
26,0 кг]мм3 и пластичность ,
характеризуемую 66,0, 81.0 и
81,0% (аЛ у 57с-ной хромистой
стали при 600° равен про-
стой углеродистой стали прн
нормальной температуре).
3. Б % -ная хромистая сталь
обладает высоким сопротивле-
нием коррозии в мор-
ской воде и имеет в интер-
вале температур от 0 до 400°
коэфициент линейного расши1
реиия, равный коэфициенту
линейного расширения чугуна.
Учитывая перечисленные
свойстаа, эту ствль применя-
ют для отливок крышек дизе-
лей морских быстроходных
Рис. 449. Влияние водорода на устойчввостъ
строения и разрушаемость отливки автоклава
мз нжкелевой (0,4% С; 2.5% Ni) и средне-
теп^оэанной хромомолибдс1к>гюй (6,0% Сг;
0,5% Мо) стали:
строение вииелеаой стали посла вовдействия
11» в H*S под давлением и прн повышеввоЯ
1Э; в — исходное строение хрояомолибдепеэой
стали; г — строение етоН стали после воздей-
ствия водорода при 800 ат И 8000 черев В00 чае.
641
Свойства стальных отливок я влияние на них состава стали
суЗЛзв Получается конст-
рукция облегченного ве-
са и обеспечивается на-
дежность ее работы из
за отсутствия напряже-
ний. (Последние были
бы неизбежны, если бы
крышки имели коэффици-
ент линейного расшире-
ния, отличный, от коэфи-
циента линейного расши
рения чугуна: крышке
прибвлчиваются к чугун-
ному цилиндру).
Определение состава
по содержанию углерода
производится но диаг-
рамме состояний стали с
5% Сг. При этом содер-
жании хрома область т
значительно сужена, при-
чем эвтектоидная точкаS
соответствует содержа-
нию углерода всего в
0,45%, т. е. почти в два
раза меньшему, чем а
обычной углеродистой
стали.
Для сочетания хоро-
ших показателей прочно-
сти и пластичности мак-
симальное содержание
углерода в стала с 5%
Сг должно быть не вы-
ше 0,25%. Незначитель-
ное изменение в содер-
жании углерода может
оказывать довольно боль-
шое влияние на механи-
ческие свойства сталн.
Иа исследований стали
с различным содержани-
ем углерода следует, что
наилучшим являет-
ся 0,15—0,20% С.
Содержание марган-
ца должно быть по воз-
можности ниже 0,4—
0,6%, для уменьшения
напряжений при терми-
ческой обработке. При
таком высоком содержа-
нии хрома настолько за-
медляются процессы пре-
вращений и уменьшается
критическая скорость за-
Отливкя ив хромистой стали
64b
кадки, что можно подвергать отливки закалке на воздухе вместо мас-
ла. Это важно для уменьшения внутренних напряжений -в этих отлив-
ках и широко применяется в практике. Так как при медленном охлаж-
дении отливок после высокого отпуска возможна хрупкость отпуска,
то обычно вводят в сталь 0,3—0,5% Мо или 0,8—1,5% W.
Введение этих элементов в сталь необходимо также для повыше-
ния сопротивления ползучести. Кроме того, введение подоб-
ных сильных карбид образующих элементов, так же, как « 0,2% V
или Ti, позволяет иметь несколько повышенное сверх 0,2 % содержание
углерода без опасения значительно понизить пластичность стали. Изло-
женные положения о составах и свойствах 5%-ной хромистой стали
иллюстрируются данными табл 82а.
Наибольшее практическое распространение имеет 5%-ная хромо-
молибденовая сталь. Наряду с высокой прокаливаемостью, по-
зволяющей производить закалку отливок на воздухе, она обладает
высоким сопротивлением ползучести. Поэтому эта сталь применяется
для ответственных отливок различных установок нефтяной промышлен-
ности (диски нефтяных «асосов, фиттинги и разная арматура, диффу-
зорные кольца и т. и.). Сталь имеет при 480 и 540° сопротивление
ползучести в 15 и 7 кг}мм? при 1% остаточного удлинения за 10 000 час
5%-ная хромовольфрамовая сталь (1% W) имеет при
морм'альных температурах такие же высокие механические свойства,
как я 5%-ная хромомолибденовая сталь, а также малую чувствитель-
ность к хрупкости отпуска. Она обладает все же меньшим сопротивле-
нием ползучести (около 12 кг/мм3 при 480° и 3,5 кг]мм3 при 540°
при 1% удлинения за 10 000 час.). Кроме того, 1% W стоит дороже
0,5% Мо. Такая сталь более применима для отливок, работающих
в условиях износа при высокой температуре.
Рис 45Й. Раздутае и разрыв автоклава из хро-
номожйденовой стали (0,15% С; 0,85% Сг
и 0,62% Мо) после 6 лет работы прн повышен-
ной температуре. Пунктиром показаны толщина
стенки к форма автоклава до раздутия.
Толщина стенки 90 нм. вес 7500 кг
Для иллюстрации значения правильного выбора и применения 5%-ной хромо-
молибденовой стали и вообще высоких свойств хромомолибденовой стали даме с бо-
лее низким содержанием хрома можно привести следующий пример. Массивная
отливка автоклава, работающего но предполагаемым условиям под высоким давле-
нием прн 300°, была залита сталью с 0,15% С, 0,88% Сг и 0,62% Мо. Однако
в действительности автоклаву прмшлось работать при более высокой температуре.
В результате ползучести, после 6 лет работы автоклав раздулся, толшива стенок
уменьшилась с 90 -до 20 мм н образовалась трещина (рис. 450).
Применение стали с 5% Сг удлинило бы срок службы автоплева. Однако вы-
сокие свойства, особенно пластичность примененной хромомолибденовой стали
с 0,88% Сг, обеспечили большую деформацию ртдивди перед разрушением. чту>
предохранило «сю установку от катастрофы.
646
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
В. ОТЛИВКИ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОЙ ХРОМИСТОЙ СТАЛИ
СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ И ХИМИЧЕСКИМИ
СВОЙСТВАМИ
1. Отливки из высоколегированной хромистой стали
Из нержавеющих и жароупорных марок стали, т. е. со специаль-
ными химическими свойствами, наиболее широко применяется высоко-
легированная хромистая сталь. Для обеспечения высоких 'антикорро-
зионных свойств хром является наилучшим элементом. Даже в ком-
плексных составах этой стали (с никелем и другими элементами) веду-
щая роль в большинстве случаев принадлежит обычно хрому. Хром,
окисляющийся легче железа, создает защитную пленку Как в условиях
службы при высокой температуре, так и в условиях корродирующего
действия жидкой среды. Необходимое для этого минимальное содержа-
ние хрома составляет 12%.
Интересно отметить, что резкий перелом, скачком, в свойствах хро-
мистой стали, наблюдающийся при 12% Сг, может быть внешне отож-
дествлен с аналогичным изменением свойств марганцовой стали при
10—12% Мп и с резким улучшением антикоррозионных свойств крем-
нистой стали при S1 > 12%. Это давало раньше повод некоторым ме-
таллургам (в частности Гадфильду в 1924 г. на. конгрессе металлургов
в Лондоне) считать, что 12 является «кабаллистнческим числом» в ме-
таллургии. Современные работы научно разъяснили это совпадение и,
как указыввлось, для хромистой стали определили влияние на корро-
зионную стойкость содержаний хрома, кратных у моли.
Рис. 451. Расчетное положение линяй Я и s/e ноли
в хромистой стали и коррозионная стойкость литых
пласгинок в зависимости от содержания хрома
И углерода:
слева —шлифованные пластинки 2 недели
В паро-воздушной смеси; справа—г с литейной кор-
кой, прошедшие пескоструйную очистку, после
J6 яедеть в атмосфере возд#да
Нержавеюшая хромистая сталь должна содержать не менее %
моли, т. е. 11,7% Сг в твердом р^стаоре е феррите. При наличии угле-
рода требуется более высокое содержание хрома, например Сг= (12+
+ ЮС) %, если считать весь углерод связанным в специальный карбид
(Fe, Сг)7Сз. При более высоких содержаниях храма, необходимых для
кислотоупорной стали,
нац, и»>естно из диа-
грамм состояний, су-
ществу г специвльнын
карбид (Сг, Fe)«C. В
нем в предельном слу-
Сг
чае, отношение с =
= 17,4. В стали с та-
кими карбидами и по-
вышенным содержани-
ем хрома в твердом
растворе в феррите
(15—Ю%) минималь-
но необходимое содер-
жание хрома должно
определяться уже ура-
внением Сг=(15 до
17) + (|6 до 18)-С%.
Расчетное распо-
ложение линий g- мо-
ли и фактическая кор-
розионная стойкость
литых пластинок с раз*
Отливки из хромистой стали
647
личным содержанием хрома и углерода прелстаалены на рис. 451
и 452 [1721.
На основе подобных данных можно определить область состава
литой нержавеющей хромистой стели с различным содержанием угле-
Рис. 452 Внешний вид литых шлифованных пластинок из
стали с различным содержанием хрома и углерода после
. воздействия в течение 5 суток корродирующей атмосферы
из паро-воздушной смеси
роДа и определить необходимое содержание хрома в зависимости от
содержания углерода. Очевидно, что все составы ствли, лежащие ниже
линии Уз моли, не обеспечивают 'Коррозионной стойкости. Все составы,
лежащие выше % моли, прикадлеж'ат нержавеющим сталям. Корро-
зионная стойкость их будет тем выше, чем больше концентрапия хро-
ма, чем выше данный состав стали лежит над линЙЬй % моли.
Из рис. 451 видно, что шлифованная поверхность отливки об-
ладает лучшей коррозионной стойкостью, чем очищенная пескоструй-
64Я
Свойства стальных отливок п влияние на них состава стали
-------в атмос-
фере воздуха в зависимости от содержания хро-
ма в углерода ж термическо* обработки
иметь н вцду, что повытеиие- содержания
иым аппаратом. Для отлибок без шлифовки, даже в ‘атмосфере воз-
духа, необходимо применять сталь с минимальным содержанием хрома
2/а моли (больше 23,7%)
Из рис. 452 видно, что, вследствие местных скоплений карбидов,
особенно при высоком содержании углерода, наблюдается развитие
местной коррозии. Термическая обработка отливок из ст’вли, даже не
имеющей фазовых превращений, способна путем диффузии хрома не-
сколько уменьшить получающуюся неоднородность состава и этим
[1721.
Уже указывалось,
что в зависимости от вза-
имного содержания хро-
ма и углерода можно
получить чисто феррит-
ную хромистую стиль,
лишенную фазовых пре-
вращений, затем так на-
зываемую «полуферрит-
ную* сталь с частичными
фазовыми превращения-
ми и мартенситную хро-
мистую сталь с полными
фазовыми превращения-
ми. У этих марок стали,
чем выше содер-
жание углерода и
ниже содержание
хрома, тем хуже
коррозионная стой-
кость. Однако нужно
хрома и одновременное
понижение углерода переводят сталь из одного класса в Другой (на-
пример, из мартенситного ь иодуферрнтный) и резко изменяют меха-
нические свойства.
Вот почему прн выборе состава нержавеющей хромистой стали для
отливок и при критической оценке их свойств нужно строго разграни-
чивать понятия о влиянии содержаний хрома и углерода на повыше-
ние коррозионной стойкости от их влияния на изменение
строения ствли и. следовательно, соответствующих механических
свойств отливки.
Таблица 83
Составы высоколегированное хромастоВ стал для отливок
м . «с_.± с,
Группа температура огнестойкости °C
°/о
1 Ферритная < 0,08 13-14 800— 825
0.08—0,1й 16—20 850— 900
11 Полуферритнаи 0,20-0,25 25-32 950-1050
0,10-0,15 13—15 850
0,10—0,21) 14—16 900
111 Мартенситная . 0,20-0,25 13-15 825
4-2 о/о Ni Ферритно-карбидная .... 0.15—0,20 16-20 900
IV 0,3-1,0 18—20 900
V Ледебуритная 1,0-1,2 25—30 1050
2,0—2,5 30-35 1100
Отливки, из хромаетой. стали
649
На основе различных исследований можно произвести разбивку
высоколегированной хромистой стали для отливок на группы (классы)
в зависимости от взаимных содержаний хрома и углерода (табл 831
Свойства от-зивок из этих групп стали рассматриваются ниже.
2. Свойства отливок из ферритной высоколегированной
хромистой стали
Ферритная хромистая ствль имеет при всех температурах структу-
ру феррита, отличающегося от обычного феррита углеродистой стали
тем, что он содержит в твердом растворе хром (хромистый феррит)
Механические свойства ферритной хромистой стали как стали,
имеющей строение твердого раствора, отличаются сравнительно низки-
ми значениями предела упругости. Пластичность ферритной стали зна-
чительно ниже, чем у аустенитной стали (при содержании 0,08% С
я 13—14% Сг показатели о, достигают 30—40 кг/мм2, и
30%; при содержании же 16—20% Сг показатели и ' падают до
5—10%). Пластичность ферритной хромистой стали особенно резко
уменьшается при 30% Сг и выше, хотя по мере повышения содержа-
ния хрома увеличивается коррозионная стойкость. Обусловливается па-
дение пластичности значительным увеличением размера зерна и обога-
щением твердого раствора хромом, вплоть до образования интерметал-
лических соединений FeCr.
Как известно, при определенных содержаниях хрома, тем меиыпнх,
чем выше содержание никеля, марганца, кремния в стали,— уже не
получается однородный твердый раствор При очень медленном охлаж-
дении или при длительном нагреве в интервале 600—800° появляется
новая, немагнитная, степь твердая и хрупкая фаза, образующаяся
с большим уменьшением объема. Это вызывает соответствующие на-
пряжения и ведет к образованию холодных трещин в отливках. Выде-
лившаяся фаза настолько хрупка, что сталь может быть измельчена
в порошок. Эта фаза, являющаяся чрезвычайно хрупким интерметалли-
ческим соединением, названа о-фазой по современной терминологии
(обозначение греческими буквами интерметаллических соединений).
Для борьбы свЫпапеяием о-фазы отливки из высо-
кохромпстой стали необходимо быстро охлаждать
в интервале 800—600°. Для борьбы с термическими напряжениями
последующее охлаждение следовало бы вести медленно.
Однако, в отливках из ферритной хромистой стали (Сг> 15—18%)
после медленного охлаждения или длительного нагрева в иитерв'але
400—550° вновь развивается хрупкость, так называемая «475°-хруп-
Кость». Причины ее появления еще точно не установлены, но, повиди-
M0MV. ие связаны с образованием о-фазы. Для борьбы с *475°-
Хрупкостью» отливки из ферритной высокохроми-
стой стали необходимо подвергать быстрому остыва-
нию в форме или после термической обработки уже до
400°. Эта мепоприятия весьма осложняют получение здоровых отливок
из ферритной хромистой ствли.
Кроме того, поскольку ферритные ствли не имеют фазовых пре-
вращений т — а. размер зерна первичной кристаллизации в отливке
остается неизменным при любых условиях термической обработки.
Вместе с тем ферритная хромистая ст'аль весьма чувст-
вительна к скорости охлаждения при первичной крн-
сталлизапии. При медленном затвердевании отливки получается
очень крупнозернистое строение, Кроме того, в отливках даже одной
630
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
н той же конфигурации, заливаемых из одного и того же ковша, будет
различное строение в Зависимости от того, залиты они вначале или
в конце разливки. Аналогично, в одной и той же отливке с различными
толщинами стенок будут разные размеры ферритного зерна, что вы-
зывает различные механические и антикоррозионные свойства.
Например, при заливке из одного ковша двух отливок с разницей
температур в 30° получена следующая разница в механических свой-
ствах (сталь с 0,20% С, 18% Сг) [173].
Горячая Холодная
заливка заливка
Предел текучести, кг!млА. 35,0 36,0
Предел прочвости, кг мл? 45,5 62,0
Удлинение (Z/d = 4), о/0 . . 3,1 6,3
Относительное сужение, 2,7 6,2
Добиться очень мелкого зерна ферритной хромистой стали путем
заливки при очень низкой температуре практически невозможно, так
как вследствие густоты стали ее приходится перегревать при разливке.
Применение кокиль вых форы из-за густоты стали также сопряжено
с большими трудностями (образование заворотов, «спаев»). Поэтому
для ответственных отливок, от которых требуется равномерность
свойств, ферритные стали имеют малое применение. Лишь в последнее
время, в связи с инокуляцией азотом и титаном, расширилось приме-
нение хромистой ферритной стали.
На -рис. 36 н 52 были приведены результаты исследования по
умельчен ию строения и повышению пластичности феррнтвой хромистой
стали (0,23% С, 23% Сг) в отливках с различной толщи ной стенок
после инокуляции азотом (0,12% N). При введении еще более высо-
кого содержания азота, он начинает, как определено специальной рабо-
той В. С. Емельянова [174], играть роль легирующего элемента.
Изменяется при термической обработке структура ствли и повышается
не только ее пластичность, но и прочность (в стали с 25% Сг
и 0,20—0,25% N достигается 35—45 кг/мм? и 15—25%).
В ферритной хромистой стали, содержащей больше 20% Сг, повы-
шенное содержание азота (0,20—0,25%) вызывает, подобно никелю,
образование аустенита при нагреве. Если такую сталь подвергнуть
быстрому охлаждению в воде, то она будет иметь уже не однофазную
ферритную, а двухфазную ферритно-аустенитиую (а -J- у) структуру.
Получающиеся аустенитные зерна и определяют повышение пластич-
ности стали.
Различные современные исследования показали, что оптимальные
свойства получаются при содержании азота в 100 раз меньшем хро-
ма (N= 100). При более высоком содержании азота отливка может
получиться вся в тазовых раковинах (дикая сталь из-за азотного
кипения»). При более низком содержании азот умельчает строение, но
не определяет столь высоких механических свойств, так как образуется
мало аустенитных зерен (см. рис. 52).
Повышенное содержание азота сравнительно мало отражается на
коррозионной стойкости стали. Влияние азота подобно влиянию угле-
рода. Сталь с азотом сохранит свои антикоррозионные свойства;
если после вытягивания части хром'а из твердого раствора в нит-
риды хрома в нем все же останется необходимая минимальная концен-
трация хрома Прн введении 0,20—0,25% N в сталь, содержащую выше
20% Сг, манималввая концентрация Хрома всегда- обеспечена.
Отливки из хромистой стали
651
Азот вводится обычно ® лечь в виде азотированного феррохрома,
содержащего около 0,75 % N при 65—70'S Сг (отношение~ 100)
после раскисления стали. При комбинированном влиянии азота и тита-
на вводят специальный сплав Fe-C-N-Ti.
Несмотря на повышение пластичности и прочности при введении
известного содержания никеля (до 3%) и азота или титаИа, феррит-
ные хромистые и даже ферригно-аустенитные хромоазотистые стати
все же не обладают надлежащими свойствами конструкционного ыате
риала. Они имеют сравнительно низкие показатели предела упругости
н ударной вязкости. Поэтому для ряда отливок, работающих в корро-
зионных средах под выв хим и -нагрузками, ферритные хромистые стати
заменяются другими марками стали.
2. Свойства отливок из <полуферритной» высоколегированной
хромистой стали
Полуферритная сталь составов табл. 83 характеризуется тем, что
часть кристаллитов в ней претерпевает превращения 7— ей может
иметь при соответствующей термической обработке даже сорбитцое
строение. Остальные же кристаллиты имеют чисто ферритное строение
без превращений у — а. Та к’ая сталь характеризуется несколько боль-
шей прочностью, чем чисто ферритная сталь. Однако эта прочность
и соответствующая пластичность все же малы и не дают возможности
применить полуферритнjю сталь в качестве антикоррозионного и кон-
струкционного материала для высоко напряженных отливок. Кроме
того, размер первичного эерг^а ие может быть изменен никакой терми-
ческой обработкой.
4. Свойства отливок из мартенситной высоколегированной
хромистой стали
Мартенситные нержавеющие стали, полностью претерпевающие
фазовые превращения и обладающие благодаря этому высокими меха-
ническими свойствами, имеют широкое применение как конструкцион-
ный материал с. сравнительно удовлетворительными антикоррозионны-
ми свойствами. Эти стали применяются преимущественно для всех тех
отливок, которые работают в сравнительно мало агрессивной корро-
дирующей среде, но зато в условиях ударных нагрузок и больших на-
пряжений (например, лопасти водяных турбин, колеса для них с цельно-
литыми лопатками, ариатура, насосы и т. д.).
Принципиально структура хромистой стали этого класса не отли-
чается по внешнему виду от структуры углеродистой или низколеги-
рованной стали Процессы, соверш'ающиеся при фазовых превраще-
ниях такой хромистой стали, принципиально не отличаются от соот-
ветствующих процессов превращений в углеродистой стали. Они только
Проходят чрезвычайно замедленно.
Вследствие малой критической скорости закалки получается
троосто-мартенснтное строение при простом ох гаждении на воздухе
вместо масл/а, что имеет большое значение для качества отливки
в отношении развития напряжений. При последующем высоком отпуске
мартенситная хромистая сталь получает строение сорбита, характер-
ное для конструкционной стали н обеспечивающее высокие механиче-
ские свойства. Хорошая антикоррозионная стойкость обеспечивается
основной м*ассой твердого раствора, являющегося хромистым ферри-
том с достаточно высокой концентрацией хрома, и равномерно рас-
пределенными дисперсными карбидами. Строение нержавеющей мар-
тенситной хромистой стали (14% Сг) ® отливке лопасти гидротурбины
652
Свойства стальных отливок « влияние на них состава стали
Каплана после охлаждения на воздухе с 950° и отпуска при 780° по
сравнению с ферритной и полуферритной хромистой ст'алью пред-
ставлено на рис. 454 [63].
Минимальные показатели механических свойств подобной стали,
имеющей нормальное для низколегированной конструкционной стали
сорбитное строение (в отливках лопастей серийного заводского про-
Рис. 454. Строение высоколегированной хромистой стали с примерно одинаковым
содержанием хрома (~ 14,0%) и (различным содержанием углерода:
I — С.08’/» С оВусловливает ферритное строение; 1 — 0,И’/« О — полуферрятное и 1 - -
1.83'/а С — оорбнткое (стиль марте вет и ого xxaeoa). X ООО
нзводства), могут быть охарактеризованы по Данным автора (10 час
1025 в до 600° + 8 час 1025 в до 300° + 10 час. 780/600 п по
25°<час, затем по 50°/час):
<зь, кг!мм? as, кг/мм* аь, кг!мм? 100°/о &6,с/о 4, °/о аЛ,кгм,см1
40 45 65 *60—65 20 35 4
При низком отпуске этой стали (на Нв ~ 450) возможно по-
высить as до 100 и до 140 кг мм2 при о, ^5 и '?^7%.
Возможность полных фазовых превращений в стали с 14% Сг
определяется достаточно высоким содержанием углерода и никеля
(0,6—0,8%). При той концентрации хрома (13—14%), которая дол-
жна обеспечить антикоррозионные свойства стали, необходимое
содержание углерода находится в сравнительно узких пределах
(0,20—0,25%) Чем выше содержание хрома, тем выше
должно быть и содержание углерода для обеспечения
полноты ф'азовых превращений и предотвращения образования от-
дельных кристаллитов 8 Га)-хромистого феррита, лишенного превра-
щений.
Если только пра повышении содержания хрома не повысить од-
новременно содержания углерода, то получится полуферритнаи сталь.
Чтобы добиться при данном, не изменяемом содержании углерода
полных превращений в стали, можно итти обратным путем: снизить
содержание хрома. Однако уменьшение содержании хрома, например,
до 12—13%. вызовет понижение антикоррозионных свойста стали (по-
нижение концентрации хрома в твердом растворе в феррите ниже
’в моли из-за наличия 0,2% С в стали).
На основе этих соображений в нержавеющей мартенсит-
ной хромистой стали необходимо иметь 14,0—14,5% Сг.
Характерной же особенностью состава данной стали для отливок яв-
Оглив/tu из лоомигтой стали
€53
чиется узкий предел в содержании углерода, устанав-
ливаемый на основе следующих исследований [63].
Если при 14% Сг сталь имеет 0,25—0,30% С то при медленном
гатвердевании массивной отливки по границам зерен первичной крвс
таллизации выделяются крупные скопления карбидов. Получается
строение, характерное для заэвтектоидной стали, со структурно сво-
бодными карбидами, получаемыми при более высоком содержания
углерода, чем 0,25—0,30%. Никакая последующая термическая обра-
ботка, с очень длительными выдержками прн высоких температурах
и с быстрым охлаждением не сможет ликвидировать эти скопления
карбидов путем их полного растворения, рис. 455 [63].
Металл в массивных частнх отливки будет обладать большой
хрупкостью или, в лучшем случае, неоднородными механическими
Рнс 455. Цяючхя карбидов do границам зерен
в хромистой стали карбидного класса и соот-
ветствующее обеднение хромом твердого рас-
твора феррита в прилегающих участках.
X 1600
свойствами. Тах, например, испытание образцов из различных мест
втулки лопасти (массивная часть отчнвки) показало колебания удли-
нения от 3 до 24%, а ударной вязкости от 0,6 до 5 кгм/см*. В то же
время образцы из пера лопасти (тонкая часть отливки) дали равно-
мерные и удовлетворительные показатели.
Если же при 14% Сг сталь имеет 0,19—0,18% С, т. е. меньше
0,2% С, то, как видно из соответствующих диаграмм состояний Fe —
Сг - - С, в начале затвердевания образуются -кристаллиты S -хромистого
феррита. Они имеют содержание углерода значительно ниже среднего
в жидком металле. При содержании 14% Сг такие первоначально
образующиеся кристаллиты принадлежат уже к классу чисто феррит-
ной хромистой стали, не имеющей фазовых превращений.
Вследствие крупных размеров образовавшихся кристаллитов, пре-
имущественной растворимости углерода в кристаллитах т-твердого
раствора и низкой диффузионной способности в решетке &(а)-твер-
654
Свойства стальных стЛивок и влияние, на нй* состава стали
дого раствора, а также благодаря межкристаллитной пленке—содер-
жание углерода не выравнивается по отдельным кристаллитам. Они
принадлежат к ферритному классу и останутся без фазовых превраще-
ний. Те же кристаллиты, которые затвердевают позднее, имеют уже
более высокое содержание углерода. Они смогут претерпеть при даль-
нейшем остывании полные фазовые превращения. Получится частнчно-
или полуферритная сталь.
Таким образом, нержавеющая хромистая сталь, казалось бы нор-
мального состава (0,18% С при 14% Сг), часто рекомендуемого для
поковок мартенситной группы, имеет в массивной отливке ярко выра-
женную полуферратную структуру. Никакая последующая термическая
обработка не в состоянии ее изменить и сообщить отливке равномер-
ные и высокие механические свойства, особенно пластичность.
Эта низкая пластичность и даже более низкая прочность получает-
ся нз-за включений мало пластичных непревращенных кристаллитов
8 (а) хромистого феррит^ (рис. 454, 2) или нерастворенных хрупких
карбидов (рис. 455). Борьба с получением такой структуры является
одной из основных задач получения качественных отливок из мартен-
ситной хромистой стали. Требуемая равномерная сорбитная
структура получится только при правильном выбо-
ре содержаний хрома и углерода в зависимости от
скорости затвердевания отливки.
Для достижения удовлетворительной коррозионной стойкости от-
ливок из мартенситной нержавеющей хромистой стали содержание
хрома должно быть 14—14,5%. Содержание же углерода зависит от
скорости затвердевания и должно быть в сравнительно узких пределах.
Содержание углерода должно быть достаточно высоким, чтобы не
образовался в заметном количестве свободный непревращаемый 8(a)-
хромистый феррит. Содержание углерода, вместе с тем, должно
быть достаточно ни зкны, чтобы не выделялись крупные скопления
свободных, нерастворимых при термической обработке, карбидов по
границам зерен первичной кристаллизации.
В частности, для крупных отливок лопастей гидротурбин
(рис. 463) установлено специальными исследованиями [63] опти-
мальное содержание 0,2—0,25% С при 14—14,5% Сг « до 0,7% Ni.
При более низком содержании углерод'а (играет роль каждая
0,01 % С) для равномерности механических свойств в различных ча-
стях отливки необходимо иметь содержание хрома уже ниже 14%.
Однако это скажется на известном понижении антикоррозионной
стойкости.
В рассматриваемой стали мартенситной группы чрезвычайно эф-
фективно влияние Хаже небольшого содержания никеля на расшире-
ние области т» на замедление превращений аустенита и на предотвра-
щение образования отдельных кристаллитов непревращаемого 8(a)-
хромистого феррита. Это влияние настолько велико, что иногда пере-
крывает влияние даже низкого содержания углерода.
В связи с этим влиянием никеля получают для отливок распро-
странение мартенситные хромистые стали с 2—3% Ni. но повышенным
содержанием хрома — до 16—20% и пониженным содержанием угле-
рода— до 0,15—0,20%. Такая сталь также имеет полные фазовые
превращения и является хорошим конструкционным материалом (os
около 60 кг!мм2 при 30—40%). Антикоррозионная стойкость такой
стали выше, чем у рассмотренной нержавеющей с 14,5% Сг и 0,25% С,
вследствие более высокого содержания хрома и более низкого угле-
рода. Эта сталь может уже в отличие от стали с 14% Сг применяться
для отливок химической промышленности в качестве кислотоупорной.
Отливки из хромит! стали
65S
б. Свойства отливок из ферритно-карбидной и ледебуритной
высоколегированной хромистой стали
Отливки из этих марок стали отличаются более высоким содержа-
нием углерода, чем из мартенситной, вследствие чего их строение ха-
рактеризуется нерастворимыми свободными карбидами. Строение фер-
ритно-карбидной стали принципиально не отличается от заэвтектоид-
ной углеродистой стали. Строение же ледебуритной стали, имеющей
еще более высокое содержание углерода, не отличается по существу
от доэвтектических чугунов.
Из-за высокого содержания углерода и рассеянных внутри в по
границам зерен карбидов происходит известное вытягивание хрома
из близлежащего твердого раство-
ра и, следовательно, местное пони-
жение коррозионной стойкости. Чи-
сто ферритная сталь, как правило,
обладает лучшей стойкостью, чем
карбидная.
При выборе составе» карбид-
ной стали для отливок необходимо
учитывать не только жаростойкость,
но и способность к механической
обработке, определяемую строением
стали, рис, 456.
Из рис. 456 видно, что практи-
ческое применение могут иметь
только те ферритно-карбидные ста-
ли, составы которых лежат выше
линнн О—0 в области / или W (эа-
эвтектовдные стали). Применяемые
составы зачернены. Свойства соот-
ветствующих отливок характеризу
ются данными табл. 84.
Вследствие таких низких меха-
нических свойств отливки из фер-
ритно-карбидной стали применяют-
ся только для условий малых и
безударных нагрузок. Коррозион-
ная же стойкость сравнительно вы-
сока, обусловливая, например, пол-
ную устойчивость стали с 0,5 % С
и 28% Сг в кипящей 50% HNO3,
кипящей смеси HNOa и Н-г$О<
•и других кислотах. Они также при-
меняются, наравне с чисто феррит-
ными сталями, для отлинок, от ко-
торых требуется хорошая жаростой-
кость в атмосфере окислительных
грузках. Например, отливки трубок пирометров, муфелей, детален реку-
ператоров, печей и т. п.
Феррнтно-карбидная сталь обладает лучшей жидкотекучестью, чем
ферритная сталь с низким содержанием углерод’а. Кроме того она
дешевле, так как при ее изготовлении применяется более дешевый
феррохром с повышенным содержанием углерода. Эти преимущества
особо ярко проявляются прн дальнейшем увеличении содержания угле-
рода сверх 0,5%. Но при этом, вследствие алияния хрома на передан-
«56
Свойства Стальных отливок и ЛЛиянМ на них Состава CtaAU
Соета» и механические свойства феррито-карвидной высоколегированной хромистой стели
(по разным данным)
женТте Biieeo эвтЕкгоидаюй tS|. кон-
центрацкондой (£) и эвтектической
(С) точек диаграмм состояний
Ре — Ст.— С (см. рис. 456), появ-
ляется в строении металла превра-
щенная ледебуритная эвтектика.
Составы применяемой ледебу-
ритной хромистой стали, точнее До-
эвтектического высоколегированно-
го хромистого чугуиа, зачернснм
на рис. 456. Они лежат в области
жаростойких и обрабатываемых
силанов и содержат 0,85—1.85% С
при 28—34% Сг Наличие ледебу-
ритной эвтектики в строении спла-
ва понижает его пластичность и
прочность (аь всего 45 кг1мм* при
стреле прогиба /~5 мм и Нв
250—300).
Для повышения коррозионной
стойкости в такой сала» вводе?
часто около 2% Мо, а для повыше-
ния пластичности и прочности —
никель. Повышение содержания ни-
келя так же, как и углерода, рас-
ширяет область 7 -твердого раствора
в любой хромистой стали. Вслед-
ствие «аустенитизирующего» влия-
ния никеля, при известном повы-
шении его содержания получается
уже не ферритно-карбидная или ле.
дебуритная стать, а немагнитная,
более пластичная аустенитно-кар-
;бндная (и ледебуритная) хромони-
келевая сталь, рис. 457 [170].
В последнее время для полу-
чения еще большего количества
аустенита в строении такой высо-
кохромистой карбидной стали и
для умельчения зерна первичной
кряствллизации вводят в сталь
27—28% Сг и 3% Ni, прн 0,6—
1.0% С еще 0,2% N. При этом
достигается жаростойкость до
Л50—1200° С, что определяет воз-
можность применения этой стали
для отливок, например, топливни-
ков газогенераторов автомобилей.
Вполне удовлетворительная жа-
ростойкость получается к при
25% Сг, причем введение 0,2—
0,3% N позволяет снизить содержа-
ние никеля до 1—2%. Для получе-
ния же наиболее высокой пластич-
ности желательно всемерно снизить
содержание углерода, по возможности до 0,3%.
Отливки из хромистой стали
657
Рис. 457. Влияние углерода и никеля на величество карбидов я аустенита
в высокохромнсто» стаж. X 500 (уменьшено в W)-
1 0.Ж1*/» с- S.W- Ki и WJW» От: феррит + кафбиды:
» — O.BW. С; t,8W. Ni я «в,*/. Ст; Феррит - 3W. втгетвимк
8 — 1.33V, О: BW» Ki и W-W» Сг; феррит + м"'. «уипши 1 карбидЬ.
« 0,85V» С. 11.5*/. И н ТЯ,Ь*/« Сг. аустепяе + карбиды
Для повышения жаростойкости и понижения твердости хромистой
феррнтно-карбидной и ледебуритной стали часто повышают содержа-
ние кремния с 0,8—1,0 до 2—4%. Кремний в известной мере з'амещает
хром как по своему влиянию на жаростойкость, так и на получение
ферритного строения стали (сужает область т). Можно принять, что
по влиянию на жаростойкость чисто хромистой стали I % Si примерно
эквивалентен 1% Сг. Влияние же кремния на сужение области -у
твердого раствора более интенсивно. Комплексные жаростойкие хромо
кремнистые стали имеют большое применение для отливок.
Многочисленные составы сильхромов следует разбить на те же
группы, в зависимости от взаимных^ содержаний углерода» хрома
и кремния, что и хромистые стали. Жаростойкость чисто хромистой
стали и сильхромов в зависимости от состава была представлена на
рис. 367. Для ферритной стали 18% Сг и 2% Si предельная темпера-
тура жаростойкости в окислительных газах 85(Г, а для стали
с 30% Сг 1100°.
Повышение жаростойкости высокохромистой стали может быть до-
стигнуто также введением алюминия. Соответствующие -многочис-
ленные сплавы, известные у нас под названием фехраль (0,2а% С.
13—15% Сг и 3,0—4,5% AI), хромаль, или мегапир (0,20% С, 30% Сг
и 5% А1), обладают жаростойкостью до 700—800’ и до 1200—12S0'-
Они имеют ограниченное применение для фасонных отливок вследствие
чрезвычайно крупнозернистого строения и большой хрупкости, а также
ряда трудностей выплавки и разливки стали со столь большим содер-
жанием алюминия без его окисления и загрязнения металла включ^-
42 Зак. 73. Ю А. Нехевдзв
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
ниями. Введение азота по работам А. М. Самарина, М. Л. Королева
и И. В. Паисона |22] или титана по работе И. И. Корнилова [17э|
умельчает строение высоколегированной хромоалюмнниевой стали и
расширяет возможности ее применения для отливок. В постеднее пре
Марганеи. %
Рис. 458, Вляпше явргаяов на механические свойства ли-
той высокохрошстой ста*н 1% С я 30% Сг при повы-
шенных н высоких температурах
мм установлено, чти отливки из стали с 0,5% С, 7% Сг и 4% А',
несмотря на свою хрупкость, применяются с целью экономии хрома
для некоторых малонагруженных жаростойких отливок (взамен стали
с 15—20% хрома), а литые сплавы с 55—65% Сг и 7,5—12,5% А1
(по данным Н. И. Корнилова) (1751 являются наиболее жаростойкими
(температура плавления 1630—1670°, жаростойкость до 1500°).
При длительной выдержке в области высоких температур пронс
ходит некоторая сфероидизация н коагуляция карбидов и значительный
рост зерна. В связи с этим изменением строения еще более понижается
та сравнительно малая прочность, которой отличается ферритная
хромистая сталь при высоких температурах, не являющаяся жаро-
прочным материалом. Увеличивается также хрупкость при нормальное
температуре.
Для повышения механических свойств при высоких температурах
необходимо, как указывалось, иметь аустенитное строение стали
С целью экономии дефицитного и стратегически важного легирующего
элемента никеля в последние годы рядом исследователей были прове
цены большие работы по з’амене никеля марганпем Используя
влияние марганца как элемента, расширяющего область ; исследе-
Отливки иа кронистой стом
в*4>н х.ромомарга1нцоиые стал» с различным txjrtepjKbHWrid xfHMA1^ (дЬ
30%) и марганца (до 20%). Полной эквивалентности сарйотв к высо-
колегированными хромоникелевыми сталями не обнаружено. Но в ряде
коррозионных вред при нормальных температурка яримоМарГанцовые
стали служат вполне удовлетворительно. Так, например, Ф Ф. Химу-
шин [1761 рекомендует в качестве материалов, устойчивых (против ат-
мосферной коррозии, аустенктно-феррнтяую сталь .с ~0,2% С,
~ 18% Сг н ~9% Мп, чисто аустенитную с 0.12—0,30% С, 13,0’^ Cv
0,0% Мп и 4.0«/» Ni и т. п.
В литой хромомарганцовой стали (18% Ст, 8% Мп) удлинение
достигает 30% при пределе прочности в 60—75 кг/эила
Для отливок практическое значение имеют стали с высоким со-
протиалением коррозии в более агрессивных средах н, следовательно,
с более высоким содержанием хрома Кроме того необходимо иметь
более высокое содержание углерода для улучшения литейных свойств
Но оказалось, что в литой хромомарганцовой стали с новы
шейным содержанием хрома чрезвычайно развивается хрупкость
из-за выделения с-фазы. В чисто хромистой стали хрупкие интерметал-
лические соединения FeCr начинают появляться уже при содержании
хрома выше 15—-20% В отливках из стали с 30% Ст эти соединения
выделяются при остывании в форме и бывают уже заметны даже при
сравнительно тонких стенках (20 мм) в сыром состониии. При нагреве
отливки на 800° эти соединения растворяются и при последующей бы-
стром охлаждении могут вновь не выделяться.
Исследования литой стали с 0,6—1,0% С и 30% Сг покачали, что
при введении 10% Мп получается обычная ферритно-к'арбидная струк
гури При содержании же 10—15% Мп уже появляется a-фаза. Уве
личивающаяся прн дальнейшем повышении марганца. Сталь с содер-
жанием до 10% Мп может еще применяться для отливок, не отличаясь
заметно по свойствам н обрабатываемости от свойств чисто хроми-
стой стали Отливки же из стали с более высоким содержанием мар-
ганца (при Сг > 15%) близки по свойствам хрупкости к стали с Э8-—
44% Сг, в которой выделения з-фазы особо велики (рис 458) [177}
Подобное влияние марганца на выделение соединения FeCr обна-
ружено и в катанной стали. При этом одновременно определено паде-
ние жаростойкости марганцехромистой стали до 900" вместо 1100—
1200° для чисто хромистой с 30% Сг.
В В. Кузнецов, однако, нашел, что введение 2% Si в сталь
с 18% Сг и 8% Мп или 4% Sib сталь с 18% Сг, 8% Мп и 4% Ni де-
лает такую высоколегированную хромомарганцекремнистую сталь
вполне жаростойкой прн 1000—1100“ [178].
Во время войны, в исканиях всемерной ^амены никеля и расши-
рения применения высоколегированной х[эоыомарганцовой стали путем
сообщения ей чисто аустенитного Строения, начали вводить азот.
Сталь с 15% Сг, 15% Мп и 0,2% N яаляется уже однофазной аусте-
нитной, заменяющей во многих коррозионных средах сталь с 18% Сг
и 8% Ni. Необходимо отметить, что в эту сталь, для улучшения анти-
коррозионных свойств путем связывания углерода, нельзя вводить ти
тан из-за образования TIN. Титан следует заменять танталом.
Чисто аустенитное строение может быть получено без азота
в марганцехромистой стали с 0,2% С, 16—18% Мп и 10—12% Сг.
Высокие пластичность и ударная вязкость этой стали определили се
применение во время войны вместо более дефицитной аустенитной
стали с 18% Сг и 8% Ni для отливок, работающих при очень низких
температурах.
42*
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Г. ОСОБЕННОСТИ изготовления отливок из ХРОМИСТОИ
СТАЛИ в связи с ее литейными свойствами
1. Жидкотекучесть и кристаллизация хромистой стали
Основным недостатком хромистой стали как литейного материала
является ее высокая динамическая вязкость и густота,: несмотря на
сравнительную хорошую способность заполнять форму.
Хромистая сталь всегда покрыта пленкой окисло®. Очень часто,
при. недостаточной весовой скорости наполнения формы или малой
скорости подъема стали в ней, в отливках получаются завороты, плен-
ки, «спаи», неметаллические и газовые включения. Известную роль
в увеличении густоты хромистой стали играют взвешенные в жидком
металле твердые частички тугоплавких н нерастворившихся карбидов
и нитридов хрома и титана, если он вводится в сталь (см. рис. 21).
При большом перегреве влияние этих твердых частичек в жидкой
стали уменьшается, но одновременно в известной мере уменьшается
и их ннокулируюшее действие.
Поэтому вопрос о температуре металла для заливки должен ре-
шаться комплексно, на основе условий заполнения формы
и кристаллизации каждой группы отливок. Для улучшения жид-
котекучести хромистой стали необходимо, как правило, иметь горячий
ход плавки и применять высокий перегрев. Например, по дан-
ным автор'а в массовом производстве кокильных специальных отливок
из низколегированной хромистой стали с толщиной стенок 40 мм брак
по включениям понизился с 30 до 20% при повышении температуры
разливки с 1510 до 1530°С. Температуры же разливки низкоуглеро-
дистой высоколегированной хромистой стали лежат в более высоком
интервале (1540—1650°).
Применение больших скоростей наполнения влияет на качество
отливок в том же направлении, как и повышение температуры раз-
ливки. Например, «о производственным данным М. Т. Андреева [96]
для отливок из низколегированной хромомолибденовой стали приме-
няются скорости заполнения формы в полтора раза более высокие, чем
для отливок из углеродистой стали.
Для облегчения этих условий необходимо часто использовать бла-
готворное влияние углерода и кремния (выше 0,6%) на повышение
жидкотекучести хромистой
стали. При невозможности
соответствующего измене-
ния состава приходится
иногда прибегать даже к
применению более дорогой
хромоникелевой стали.
На рис. 230 отмечалось
значительное влияние повы-
шения содержания хрома
уже до 1% на уменьшение
жидкотекучести стали при
перегреве в Б0° над ликви-
дусом. Дальнейшее повы-
шение содержания хрома, в
Ряс 459. Влияние хрома и» интервал мтверде-
иания стали с 0,4% С (по разным данным)
особенности выше 5—8%, несколько увеличивает жидкотекучесть, оп-
ределяемую при постоянном перегреве над ликвидусом. При этих
содержаниях хрома уже значительно уменьшаются температуропровод-
ность п температура плавления, а твкже резко увеличивается интервал
затвердевания стали (рис. 459) ,
Отливка ы хромистой ст&ли
«1
Одновременно должна также увеличиваться и практическая жид-
котекучесть стали при постоянной температуре заливки, |рис. 460 [17].
Повышение практической жидкотекучести, как видно из рис. 460,
особенно заметно при содержании хрома выше 5—8%, когда начн-
Рнс 461. Влияние углерода и хрома на практическую
жидкотекучесть стали, определяемое из сравнения
тех температур, которые необходимы дли заполнения
спирали длиной 300 мм (для различных содержаний
проча — по данным рнс. 460. для углерода — по дан
ним рпс. 377)
нается заметное понижение температуры плавления, увеличение ин-
тервала затвердевания и идет только однофазная кристаллизация
Меньшая жидкотекучесть хромистой стали по сравнению с углероди-
стой усматривается из рис. 461.
При повышении содержания углерода практиче-
ская жидкотекучесть хромистой стали значительно
увеличивается вследствие получающегося более резкого пониже-
ния температуры плавления и тепчопроводности, а также увеличения
интервала затвердевания.
Поэтому ледебуритные и ферритно-карбидные хромистые стали
имеют вполне удовлетворительную практическую жидкотекучесть.
Свойства стальных .отливок и влияние на них состава стали
олязкую к жидкотекучести ковкого чугуна. Например, сталь с 30°/» Сг
имеет температуру плавления в 1350° и при перегреве в 90° дает
жидкотекучесть по бруску Руффа в 400 мм (углеродистая сталь при
перегреве в 50° дает в тех же условиях около 300 лик). Ледебурит-
ная стань имеет температуру птааления всего 1275—1300° и разлн-
1 ваетсн при температурах не вы-
/ Г \ ше 1450° для самых тонкостен-
I J \ Яых отливок Все же а б с о-
потная величина перегрева,
сообщаемого хромистой стали,
вследствие ее густоты, значи-
тельно в ы Ц1 е, чем для углеро-
дистой стали.
Заливка же ферритной ста-
ли с низким содержанием угле-
рода требует еше ббльшего
перегрева. ’
Рис 462 ОтлшвГа валков
пильгер-стан-а iri хромоволь-
фрамовой ста.'к Размеры вал -
кор с прибылью весом 320.
3900 и 9050 Ki (в «>.
Рмс. 463- ОтЛйвкд
общим весом 5 т
лопасти гидротурбины
на Невском заводе
/гк А к им- Ленина из нерж.,веющей мартенситной
2о 276 020 340 это кромиетой стали с шаровой прибылью на
зь *??* 4НО вон ипфе к двусторонним подводом металл»
820
440
Повышение перегрева и температуры заливки вызывает увеличе-
ние объема усадочных раковин, опасность трещин, ухудшает условия
кристаллизации в ликвации. Это ведет к понижению механических
свойств и даже антикоррозионной стойкости отлйвок.
Хромистая сталь склонна к крупнокристаллическому строению.
Поэтому всякое ухудшение условий кристаллизации особенно вредно
влияет на качество отливки. Необходимые мероприятия по модифика-
ции стали, по ускорению ее затвердевания путем констр}кции формы
подробно рассмотрены ранее. Здесь необходимо отметить только боль-
шое значение припусков на обработку отливок из легированной стали,
в частности хпомистон. Они имеют не только экономическое, ио серьез-
ное технологическое значение, хотя большие припуски н обеспечивают
правильно направленное затвердевание.
Отливки из хромистой стали
Например, на рис 75 рассматривались условия получения здоро-
вой отливки прокатных валков, требующие значительного увеличения
припуска на обработку верхней цапфы, под прибылью. Однако слеци-
ал*ны$ исследования валков трубопрокатных станов Пильгера, изго-
товленных из хромовольфрамовой стали (2,0% Сг, 1% W), показали
что наибольшее количество поломок валков получается именно в этих
цапфах. В них всегда обнаруживалось более крупнокристаллическое
строение и большие скопления карбидов по сравнению с другими ча-
стями отливки. Для борьбы с этны явлением необходимо всемерно
уменьшать толщину верхней цапфы. С этой целью, на основе данных
автора можно рекомендовать определенные минимальные припуски
для различных размеров валков (весом от 380 до 12 500 кг), заливку
нх с черными калибрами и применение шаровой прибыли как наиболее
эффективной в этих условиях по сравнению с прибылями другой фор-
мы, рис. 462.
Подобное же мероприятие осуществлено и в отливках массивных
лопастей гидротурбин из мартенситной нержавеющей стали, впервые
в СССР залитых на Невском заводе им. Ленина, рис. 463.
2 Усадка и связанные с ней явления в .отливках
мз хромистой стали
Хотя хром мало влияет на уСадку стали в жидком состоянии н при
затвердевании, по усадочные раковины в отливках из хромистой стали,
особенно конструкционной, все же больше, чем в отливках из угле-
родистой стали. Форман рас-
положение их менее в ы-
! один. При одинаковом разме-
ре прибыли раковины глубже
поражают тело отливки, чем при
заливке углеродистой сталью с
тем Же содержанием углерода
На увеличение усадочных рако-
вин влияет Rte только больший
перегрев при заливке и большая
скорость наполнения формы, но
также и мвлая теплопроводность
хромистой стали.
По мере повышения содер-
жаний углерода и хрома и уве-
личения интервала затвердева-
ния можно допустить меньший
перегрев стали. В отливках из
ледебуритной хромистой стали
получаются мсныпие усадочные
раковины, чем в отливках из
стали с низким содержанием
углерода. В отливках нз ледебу-
ритной стали часто можно огра-
ничиться боковыми прибылями
НЛП местными, над питателями
(рис. 464).
Через одну центральную при-
быль подводится металл к че-
рне 464. Подвод металла я уста-
новка прибылей над питателями
. отливках гаек нз високохромисто-
го чугуна. Внутри пробки устано-
влен холодильник (зачерней)
тырен отливкам. Прибыль разо-
гревается проходящим металлом и через питатели обеспечивает ликви-
дацию местных усадочных раковин. Для ликвидации *г центральной
б(Й Свойства стальных ьтлавок и влияние на них состава стали
усадочнЬй раковины в рассматриваемом процессе’применен внутренний
холодильник.
Следует отметить, что для отливок из кислотоупорной стали при-
менение внутренних Холодильников может вызвать еще большие не-
достатки, чем для отливок из другой стали. Кроме обычного непол-
його расплавления внутреннего холодильника возможно некоторое
понижение, содержания хрома и коррозионной стойкости отливки
Необходимость тщательности работы при изготовлении отливок из нержавею-
щей стали иллюстрируется следующим примером из практики. На поверхности не-
которых отливок часто замечались небольшие круглые пятнышки коррозии. Иссле-
дование показало, что они расположены как раз в тех местах, в которых на поверх-
ности формы выступали шляики гвоздей (шпилек) (прошпилоаха формы производит-
ся с це^ью упрочнения ее поверхности и предотвращения ее размыва). При заливке
формы шляпки гвоздей’ оплавлялись, сваривались с звливаемой сталью н отливка
в этих местах корродировала ГТропшялевку форм для отливок из нержавеющей
стали необходимо вести так, чтобы гвозди (шпильки) были утоплены в формовочную
смесь. Шдялку гвоздя надо покрывать тонким слоем формовочной смеси-
Необходимо отметить, что применяемая для уменьшения объема
прибылей засыпка их углем или золой недопустима при изготовлении
отливок из хромистой стали. Вследствие влияния хрома как карбид-
образующего происходит белыиое науглероживание стали.
При этом понижается температура плайленйй стали и улучшается пн-
тайне отлннкк. Однако в местах отливки под прибылями (может полу-
читься .содержание углерода и хрома, не отвечающее среднему составу
стали. Антикоррозионные и механические свойства отливки понизятся.
В некоторых случаях эти места отливки даже не поддаются механи-
ческой обработке.
Как указывалось хром несколько уменьшает линейную усадку
стали (до б высоколегированной стали). В частности,умень-
... х , шается допеолитная усад-
шается доперлитная усад-
ка. Благодаря этому не
увеличивается опасность
образования горячих тре-
щин из-за развития боль-
шой усадки в критическом
интервале Но при повыше-
нии содержания хрома зна-
чительно уменьшается теп-
лопроводность стали и
укрупняется ее строение.
Кроме того в высоколеги-
рованной хромистой стали,
особенно при 30% Сг. очень
расширяется температур-
£
tzee £
Ряс. 4<fc. -ЦрЛчность н п~1аДгяч»юстъ
'вчсоко^епв^оаамной уром/Дой ста-
— ли остывание в Даме
''««КЭХ ------• лримиции стали срав!
о разуются горячие трещины, особенно внутренние
CvinpoTHPHUbi»» ________________ ____ J___
ный интервал низкой проч-
ности и пластичности при
остывании, рис. 465 J89J.
Вследствие этого в от-
из высоколегиращаняой хромистой стали сравнительно легко
л --тся горячие трещины, особенно внутренние.
Существенным преимуществом высоколегированной хромистой
П° сРавне«Ию с марганцовыми или никелевыми является низкий
® Лиент линеи«°го расширения в области упругих деформаций Из
р . о шидно, что коэфициент линейного .расширения для ферритной
«мартенситной хромистой стали 14-24% Сг составляет в среднем
то вРеыя ка« для аустенитной стали Я1>мо= 18-10^.
это означаем что в отливках одной и той же конфигурации воз-
никающие напряжения при заливке аустенитной сталью будут ббль-
Отливки из хромистой стали
665
шими, чем при применении хромистой стали (теплопроводность этих
сталей почти одинакова, модули упругости близки).
Однако возникающие напряжения в отливках из хромистой стали
создают большую опасность появления холодных трещин из-за хруп-
кости стали в сыром литом состоянии. Эти напряжения особенно
опасны в отливках из хромистой стали с карбидами. Напряжения кон-
центрируются у карбидов, значительно превышают среднюю величину
действующих напряжений и вызывают местное образование трещин.
В отливках, имеющих ферритное или полуферритное строение, воз-
никающие напряжения не рредст*авляют столь большой угрозы в от-
ношении холодных трещин, если только вследствие s-фазы, «475°-ной
хрупкости» и крупного размера зерна сталь не имеет чрезмерно пони
женных механических свойств. Особые мероприятия по борьбе с холод-
ными трещинами должны проводиться в отливках из хромистой стали
с 5 и 14% Сг мартенситного класса. Эти отливки чрезвычайно хрупки
в сыром состоянии и после закалки
В практике автора не удавалось, например, получить здоровую
отливку из стали с 5% Сг до тех пор, пока специальными мерами не
добились особой чистоты стали по неметаллическим включениям. При
повышенном количестве неметаллических включений получалась кон-
центрация напряжений я образование холодных трешин при осгыва
иин отливки и при закалке ее даже на воздухе.
Известны случаи, когда при удалении литников от массивных отли-
вок лопастей электродуговым (методом плавления образовывались хо-
лодные трещины, несмотря на получающийся очень небольшой местный
разогрев. (Литники отливок из нержавеющей стали приходится уда
лять плавлением, а не огнерезкой потому, что нерж’авеющая сталь
окисляется весьма трудно.) Удаление прибылей от отливок из хроми-
стой стали, как правило, следует производить только на станках.
Отливки из хромистой стали очень чувствительные к образованию
холодных трещин, рекомендуется продолжительное время охлаждать
в опоках и в особых случаях даже переносить залитую опоку или
выбитую отливку в предварительно разогретую печь.
При изготовлении отливок из мартенситной или ферритно-карбид-
ной хромистой стали необходимо принимать такие же меры по борьбе
с холодными трещинами, как и при изготовлении отливок из высоколе-
гированной кремнистой и марганцовой стали Гадфильда.
Необходимо также подчеркнуть возможность образования холод
ных трещин в отливках из стали с содержанием хрома выше 20%
из-за выделения в фазы и появления «475°-ной хрупкости» Для
борьбы с хрупкостью необходимо отливки подвергать быстрому охлаж
дению с 600°, что стоит в явном противоречении с мероприятиями по
борьбе с термическими напряжениями.
Поэтому режим остывания отливок следует вести в зависимости
От необходимости борьбы с превалирующим фактором. От-
ливки с высоким содержанием хрома и сравнительно низким уыеро-
дом, в которых выделения с-фазы и «475°-ная хрупкость» являются
главной причиной хрупкости, следует охлаждать быстро Отливки
же с высоким содержанием н хрома и углерода, которые достаточно
хрупки вне зависимости от а-фазы, подвергают обычно медленному
остыванию. В конкретных местных условиях, в зависимости от конфи-
гурации отливки и состава стали, возможны и другие варианты ре-
жима остывания.
Так как газовые раковины и неметаллические включения — также
весьма распространенный вид брака- отливок из хромистой стали то
при предпочитаемом методе заполнения формы сифоном через много-
численные питатели полезно устраивать «шлакоуловители».
-ЯМ • •«•«маяьН <• -J —тт~ мщицк
,^4». ШВ|вм tUOMC*/ «KWMV* «ИНЙМ* <
ГЛАВА XIX
ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ ИЗ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ
И НИКЕЛЕХРОМИСТОЙ СТАЛИ
ОТЛИВКИ ИЗ СТАЛИ, ЛЕГИРОВАННОЙ ХРОМОМ
И НИКЕЛЕМ
Сталь, применяемая дли отливок, в зависимости аг содержания
хрома ,н никеля, а также углероду може> быть разбила ня следующие
группы (дополнительно к принятой систематике ннзко-.средие- и высо-
колегированной стали).
1. Сталь с полными фазовыми превращениями,
т. е сталь перлитного и мартенситного класса. Она применяется обычно
в качестве конструкционного материала и иногда обладает одновре-
менно какинн-лнбо специальными физическими и химическими свой-
ствами.
2. Сталь с частичным^ п р$в р а ч «ям и, средн кото-
рый следует различать две подгруппы -
а) а у с т е н и тн о-фер р и т н а я сталь с преобладающим коли-
чеством аустенита в строении и
б) ферритно-аустенитная сталь с преобладанием феррит-
ного строения.
Эта сталь применяется преимущественно для кислотоупор-
ных it жароупорных отливок, обладающих повышенными
механическими свойствами.
3 Сталь без фа-зовых превращений тоже разделяется
на две подгруппы:
а) ферритная хромоникелевая сталь; эта сталь харак-
теризуется высоким содержанием хрома и сравнительно низким содер-
жанием углерода и никеля;
б) аустенитная хромоникелевая или нике, tex ром и стая сталь,
характеризующаяся уже значительно более высоким содержанием
никеля, а иногда ц углерода
Эта сталь применяется только для отливок со специальными хими-
ческими свойствами и иногда с высокой жаростойкостью
4 Ферриты о-к арбидная сталь, характеризующаяся высоким
содержанием хрома и углерота и сравню ельио низким содержанием
никеля. Эта стать применяется для жаростойких отливрк, не подвер-
женных большим нагрузкам.
5. Аустенит и о-к арендная сталь при высоком содержании
хрома и углерода содержит количество никеля, которое обеспечивает
аустенюное строение основной массы с включенными карбидами, обыч-
но эвтектическими. Эта сталь применяется только в связи со своими
специальными химическими свойствами для отливок, не под-
цержеиных нагрхзкшм. Она обладает несколько тучшей пла-
стичностью, чем феррптно-карбидная хромоникелевая сталь.
6. Сплавы никеля и хрома, бедные железом, так
называемые нихромы, имеющие различное строение в зависимости
Отливки нз краеюнихалваой стали
667
от состава. Применяются они в связи со своими химическими и некою
рыми спе иальныыи физическими свойствами для отливок с высокой
жаропрочностью.
На диаграмме ряс 466 приведены различные составы ста™, леги-
рованной хромом и никелем, применяемой для отливок
В железном углу диаграммы положение линий, разграничивающих
области стали различных классов, получены при содержании G ~ 0.20 %
Перлитные
стали
кисель %
Стали с корошеи огнестойкость^
Сплавы со стабильной структурой
Граница маенитны* никелевые справок
Кислотоупорное и Жароупорные стали
Конструкционные стали
Pi*c. 466. Строете, составы q свойства стали с различным содержа наем
а никеля применяемой для ottiibw' (диаграмма по‘'тр«»'па на основе раздиг-
рнх чсгтедований)
В ошальных частях диаграммы содержание углерода очень мало.
В промышленных составах имеется всегда, наряду с известным содер
жанием углерода, также кремний, мар1анец, а иногда молибден. медь
11 Другие элементы. Они меняют положение линий диаграммы рис.466.
Но В виде первого приближения на диаграмме отмечаются прлменяе
мыс составы и показывается, как, в зависимости от взаимного содер-
жания хрома и никели, стать по ее строению можно отнести к феррито-
'иёрлитйой, мйртенситно-троостнтяоЙ, аустенитно-мартенситной н чисто
аустенитной фуппе.
На диаграмме не отмечены отдельно области существования
аустенитно-ферритний >i фсрритно-агстеиитиэй стали. Они рассматрива-
ются в дальнейше?* отдельно.
Представление q rpHWU отливок цз подобных марок высокиле
(ированноп стали можно также получить из эмпирических формул, по-
сдроенньц. на основе современных диаграмм состояний сложных систем
Ее — С — Сг — Ni и исследований отливок различных составов. Так,
например, известны формулы [179]:
Сг —16-С _ Ст— 3 (Si I) 16 С
КЛ —W’ "г*---------------N------"
Сг —16-С Сг + 4-Мо-16 С
М + “^-Я“----------------
С68
Свойства столами огллавк и влияние нациях хостава стали
Веля "величина R, являющаяся фактором пропорциональности,
меньше 1,7, то строение высоколегированной хромом и никеле^
стали (типа 25% Сг и 12% Ni при 0,15% N) будет чисто аусте-
нитным. Если величина R больше 1,7, то строение такой стали будет
частично ферритным и при известной большой величине R чжсто
ферритным.
Из формул виден принцип их построения. Хром, не связанный
в карбиды, сужает область *. В высоколегированной стали находится
Рак 467. Основные составы применяемое для от-
ливок конструкционной никелехроынстой стаж
и показатели ее предела текучести и сужения
посте нормализации с отпуском
карбид хрома (Сг, Fe)«C, в котором можно принят!: приблизительно
-g-=I6 Следовательно, [Сг— 16. CJ дает содержание свободного хро-
ма, влияющего иа сужение области т и образование непревращаемого
феррита 8 (в). Кремний, при содержании выше 1%, влияет в три
раза, а молибден в 4 раза сильнее хрома на сужение области *.
Марганец вместе с никелем расширяет область нлияя, при содер-
жании выше 1 %, в три раза слабее никеля (в стали без хрома «аусте-
нитизирующее» влияние марганца в два с половиной рваа интенсивнее
никеля, см. формулу на стр. 530). В стали с хромом это влияние
марганца уменьшается, составляя, например, при 5% Сг только 1,8% Ni.
Для детализации составов и свойств конструкционной стали левогд
нижнего утла диаграммы рис. 466 приводятся наиболее употребитель-
ные срстады и свойства ннкелехромистом стали с 0,3—0,4% С (рис. 467).
Сталь, легированная хромом и никелем, является
наиболее распространенной специальной сталью,
прцм-еняемой для фасонных отливок.
А. СВОЙСТВА ОТЛИВОК ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ
НИКЕЛЕХРОМИСТОЙ И ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ
1. Свойства’ отливок нз чисто иикелехромнетой и хромоникелевой стали
~ Низколегированная хромом и никелем сталь принадлежит к перлит-
ной области диаграммы рнс. 466 и для среднего содержания С ~ 0,3 %
характеризуется предельным содержанием никеля приблизительно
в 2% и хрома в 2%. Из диаграммы рис. 466 видно, что при содержа-
нии никеля 4—5% хром ие должен превышать 2% для того, чтобы
сталь находилась еще в области конструкционной группы. Аналогично,
при повышении содержания хрома до 4—5% получается сталь уже
Отливки а» врамониявЛвваИ, стали
669
мартенсмто-трооститиого класса Такая сталь еще может применяться
в качестве конструкционного материала для высоконапряженных мас-
сивных отливок и обычно обладает одновременно какими-либо специ
1льнымн физическими или химическими свойствами.
Влияние никеля к хрома на замедление скорости превращений
является основным фактором, определяющим выбор и практическое
применение различных марок конструкционной стали, содержащей
хром и никель.
Обобщая совместное влияние хрома и никеля и используя изло-
женные на стр. 386 данные, можно установить следующие характери-
стики, определяющие применение конструкционной стали для отлнвок
1. Отливки из конструкционной стали, содержащей хром и никель,
обладают очень высокой прочностью, наиболее высокой по сравнению
с другой сталью. Это объясняется влиянием никеля дц упрочнение
феррита, сохраняющего достаточную пластичность, и влиянием хрома
на интенсивное блокирование плоскостей скольжения. В такой стали
необходимо иметь некоторое содержание углерода для образования
хромистых карбидов.
2. Совместное влияние никеля и хрома на резкие уменьшение
критической скорости закалки позволяет производить медленное охлаж-
дение отливок, обеспечивая все же надлежащие механические свойства
Например, при закалке в масле или даже на воздухе можно получить
такие показатели этих свойств, которые для отливок из другой стали
потребовали бы закалки в воде или соответственно в масле.
Поэтому сталь с никелем и хромом применяется
для отлнвок с массивными стенками, когда необходимо
иметь равномерные механические свойства, несмотря на получаемую
вынужденно малую скорость охлаждения. Кроме того, ощ применяется
для ответственных отливок сложной ко н ф и 1 у р a I и и, которы;
нельзя подвергать резкому охлаждению в процессе термической
обработки.
Строение отливок из конструкционной ннкелехромис эй стали по
сравнению с другими сохраняет оптимвльную сорбитную дисперсность
вплоть до 200 и 400 мм толщины стенок, рис. 468 [180]._Такая устой-
чивость строения обеспечивает устойчивость механических свойств по
сечению отливки по сравнению с другими марками стали, рис. 469
Как усматривается, в отливках из никелехромистой стали с тол-
щиной стенок вплоть до 200—400 леи механические свойства изменя-
ются мало по сравнению со свойствами втливок с толщиной стенок
25 мм. При этом показатетя свойств выще, чем* у отливок из других
марок низколегированной конструкционной стали (см. также данные
рис. 436). По сравнению с другими марками сталь, содержащая
никель и хром, имеет, при одинаковом пределе прочности, наибольший
предел упругости, рис. 470.
Необходимо также отметить, что никелехромистые стали
имеют, при одинаковом содержании углерода с другими марками
Конструкционной стали, наилучшее сочетание показателей
Прочности, пластичности и ударной вязкости (рнс 471).
В зависимости от содержания углерода, хрома, и никеля, а также
различных методов, термической обработки, можно достигнуть в отлив-
ках любых показателей механических свойств, вплоть до предела
прочности 120—160 кг/льи2.
При выборе содержания хрома и никеля в стали соответственно
назначению отливки необходимо всегда учитывать основное правило:
обеспечить равномерность требуемых высоких механических свойств по
сечению отливки при той скорости охлаждения, которую позволяет ее
конфигурация. Поэтому, чем массивнее отливка или меньше
ВТО'
Свойства стальных отливок и ялняине н<1 них Ъостава стали
допустимая скорость охлаждения прн термической
обработке, тем больше должно быть с о де р я н и е и fl-
ue л я и хрома.
Как известно, углерод и хром резко повышают показалош проч-
ности. Поэтому, чем выше требования технических условии приемки
отливок к показателям пределов упругости и прочности и чем массив-
нее отливка, тем больше должно быть содержание углерода и хромок
Чем большая пластичность требуется ®г отливкн, прн данных доста-
точно высоких показателях э и :t кг/мм*, тем больше должно
быть содержание! никеля за счет понижения углерода № №рв>ю
очередь.
Оптимальное сочетание наилучших показателей прочности ллв-
стичности стали получается в никелехромистой конструкцнсиыой ств и
при отношении Nl/Cr = 2— 2,5 В этой группе наиболее распростри
иена конструкционная низколегированная сталь со следующим, содер-
жанием элементов: 0,2—О 4°,о С: 0,7—0,9% Ст; 2% NI.
Талаила стелах отлиВни, им
Рис. 469. Механические свойства конструкционной нике техромисгой стали
в отливках призм с различной толщиной стенок при различных режимах тер-
мической обработки по сравнению со свойствами других марок стали, имею-
щих строение рис. 16R
анку нести. ^S,ne/MM2
ГН уВииая уВернйРВязиоет, tfy п^/см2
W ПреВед про чноам , *г!**2
Рнс, 470. Наибольший предел тек у честя у км
струхни они ой никеле хромистой стали по срав-
нению с 7, других марок стали, имевших при-
мерно одинаковый предел про'иостн при одина-
ковой толщине стенок н идентичной термиче-
ской обработке (из данных рнс, 469
Sahanha на боздуае
□ Предел текучести,кг/мм!
ГЭ Ударная 9а запеть кем/см1
М Предел прочности кг)ммг
Рнс 471. Налупшее сочетание показателей прочности
и пластичности у конструкционной никелехромистой
стали по сравнению с другими марками стали, имею
щими примерно одинаковое содержанке углерода (оди-
наковое толщины стенок и идентичная термическая
обработк
Отливки из хромоникелевой стали
673
В последнее время, с целью экономии никеля, появилась новая,
так называемая «обратная» хромоникелевая сталь с отношением
Cr/Ni = 2 — 2,5. Отливки нз этой хромоникелевой стали могут обла-
дать достаточно высокими показателями пластичности только в том
случае, если будут иметь сравнительно низкое содержание углерода,
не выше 0,25%, Наиболее распространен состав такой стали: 0,2—
—0,25% С; 2,5—2,0% Сг; 1,0—1,5% Ni.
Из многочисленных не рассматриваемых здесь литературных и про-
изводственных данных известны различные показатели механических
свойств разных марок легированной хромом и никелем стали в отлив-
ках. Эти стали имеют указанное выше или промежуточное содержание
и соотношение между хромом и никелем при различном содержании
углерода и различном методе термической обработки.
Нельзя безоговорочно Принимать эти данные в качестве рекомен-
дации соответствующих составов и режимов термической обработки
без строгого учета конфигурации отливки. Для того режима
охлаждения, которому подвергнется отливка в данных местных усло-
виях, возможно придется выбирать иное содержание и соотношение
между хромом н никелем, иное содержание углерода. Этот выбор мож-
но произвести на основе изложенных выше общих положений и учета
некоторых данных рис. 436, 468—470.
Для отливок с обычной толщиной стенок до 80—i00 мм при тре-
бовании к оА до 30—35 кг/мм3 применима выплавленная впервые
в СССР сталь, прнродно легированная хромом и никелем. По данным
С. С. Некрытого [i80], сталь, выплавленная с присадкой -в -мартенов-
скую шихту до 30% прнродно легированного халиловского чугуна,
содержала 0,3—0,5% Ni и до 0,4% Сг. После двойной нормализации
с отпуском на 640° в отливках получали (при 0,15—0,25% С) -
~ 50 кг/мм\^ Ю0 =65%), 8 ~ 30 и Ф ~ 40%,
Вопрос о прнродно легированной стали имеет особое значение во
всех странах. Стальной лом, идущий в шихту, обычно всегда обогащен
никелем чл хромом из специальной стали 'Различных объектов. Сорти-
ровка его чрезвычайно трудна. В этих условиях часто бывает даже
трудно выплавить чисто углеродистую сталь, требуемую свойствами
некоторых отливок. Так, лалрнмер, выплавленная на легированном
возврате «углеродистая» сталь с 0,25% С; 0,75% Ni; 0,20% Сг; 0.2% Си
в центральной зоне отливки 100 мм толщины (плита) дает после
2 час. 980 -в + 4 час. 670 в —а и аь 30 и 51 кг/мм2 при н с,
30 и 50%.
Предел усталости распространенной стали с 0,3% С, 2.0% Ni
и 0,8% Сг, состааляя 0,40—0,45% сь относительно невелик. Учитывая
что эта сталь применяется, обладая вполне удовлетворительной плас-
тичностью, с высоким абсолютным показателем ah > 70 кг/лои2 следует
оценить абсолютную характеристику при изгибе в 28—31 кг!мм\
как вполне удовлетворительную.
Раньше, на основе кратковременных испытаний при повышенных
температурах, приписывали никелехромистой стали высокую прочность
в этих условиях работы. Однако современные долговременные испыта-
ния установили, что предел ползучести этой стали сравнительно неве-
лик. Как видно из рис. 346, он мало отличается от предела ползучести
марганцовистой стали. По разным данным, предел ползучести стали
с 0,3% С, 2,0% Ni и 0,8% Сг следует оценить для гарантийной служ-
бы примерно в 8,75 и 6,75 кг!мм* при 425 и 480° (i % остаточного уд-
линения в 10000 час.).
Эта характеристика предела ползучести выше, чем у обычной уг-
леродистой стали, но значительно ниже, чем может иметь та же нике-
43 Вак. 79. Ю. А. Нехевдвж
67И
Свойства стальных, отливок и влияние на них состава стали
лехромистая сталь, дополнительно легированная всего 0,20—0,40% Мо
(рис. 472)
Предел ползучести такой стали с 0,25% Мо при 540° может быть
оценен для гарантийной службы около 6, а при 0,4е/® Мо даже
.8 кг/мм'2 прн 1% остаточного удлинения за 10 000 часов.
Рис 472. Сопротивление ползучести при 1%
остаточного удлинения за 10 000 час. литой ня-
келехромнстой в накелскромомолибденовой ста-
ли по сравнению между собой и с углеродистой
сталью при различных температурах
(нормализация и отпуск}
2. Свойства отливок нз никелехромомолибденовой стали
Введение 0,2- 0,4% Мо в сталь, легированную хромом и никелем,
определяет высокий предел ползучести. В такой стали молибден
увеличивает прокачиваемость, улучшает механнче
с кие свойства при нормальных температурах, обра-
батываемость отливок и резко уменьшает чувстви-
тельность к хрупкости отпуска.
При анализе приведенных выше показателей механических
свойств чисто никелехромпстой стали следует обратить внимание на то,
что охлаждение отливок после отпуска, как правило, проводилось толь-
ко на воздухе. При медленном охлаждении в печи, с высокой темпе-
ратуры отпуска, что необходимо для снятия напряжений, в отливках
из никелехромнетой стали неизбежно развивается хрупкость отпуска.
Несмотря на удовлетворительную пластичность по показателям 6 и
ф ,°е, такие отлнвки характеризуются обычно ударной вязкостью всего
I—3 кгм[см? по Шарли.
Учитывая исключительно благотворное алияние небольшой присад-
ки молибдена, а также принципиальное положение о выборе ннкеле-
хромистой стали только для сложных и массивных отливок, автор по-
лагает, что в производстве фасонного литья эта сталь в чистом виде
применяться не должна. Во всех случаях для массивных отливок, ког-
да рекомендуется выбирать конструкционную сталь, легированную хро-
мом и никелем, следует обязательно применять дополнительное легиро-
вание молибденом.
Максимально возможное использование высоких свойств этой ни-
келехромамолнбденовой стали получается при закалке в воде с отпу-
ском. В наиболее благоприятных условиях кристаллизации и термиче-
ской обработки можно получить в пробной планке <jc и <ль до 120
и 135 кг/лм2 при достаточно удоалетворительной пластичности ф ~
Отливки из хромоникелевой стали
675
~30%. В реальных массивных отливках такие свойства, конечно, не до-
стигаются, но характеризуются все же высокими показателями, полу-
чаемыми вследствие большой прокаливаемости стали обычно при за-
калке в масле и часто просто на воздухе (табл. 85).
Сталь № 7, имеющая содержание углерода выше 0,4—0,45%, не
может применяться в качестве конструкционного материала. Подобная
высокоуглеродистая сталь, имеющая после нормализации высокую
твердость, около 500 Нв, применяется для массивных отливок, рабо-
тающих в условиях износа (стр. 522).
Для очень массивных отливок, работающих на износ, в частности
прокатных валков, дающих большие обжатия, применяется сталь с еще
более высоким содержанием углерода (карбидная и даже ледебурит-
ная). Сталь состава с 1,3—1,7% С; 0,3—0,5% Si; 0,5—1,0% Мп; 1,0—
1,3% Сг; 0.5—1,5% Ni; 0,3—0,5% Мо; не более 0,04% Р н 0,04% S
известна в промышленности под названием «адамит», «феникс» н др.
Литые адамитовые валки показали чрезвычайно высокую стойкость
против износа, высокую прочность при больших давлениях и удовле-
творительную вязкость при ударах. Диаметр бочки валков достигает
800—900 лон, а длина 4 м. Изготовление таких массивных валков из
другой марки стали, без никеля, хрома и молибдена, не обеспечивает
удовлетворительной стойкости (особенно в условиях работы тонколи-
стовых станов).
Строение валков должно характеризоваться для высокого сопро-
тивления износу равномерно распределенными округленными карбида-
ми в легированном прочном феррите и разорванной сеткой первичных
карбидов. Для этого заливку таких валков часто ведут в кокильные
формы, а термическую обработку производят с целью не только сфе-
роидизации карбидов, но п получения минимальных остаточных напря-
жений.
К. Г. Стародубов [181J дли валков разработал сложные режимы
термической обработки: нагрев до 950° (скорость 30°/час, выдержка
1 час на каждые 25 мм диаметра) для раздробления сетки карбидов и
их частичной коагуляции; быстрое охлаждение до 400'’ для предотвра-
щения образования новой сетки; вторичный нагрев и выдержка при
780 и 600й для сфероидизации карбидов; очень медленное охлаждение
с 600° для предотвращения образования напряжений (общая длитель-
ность обработки достигает 360 часов для валка диаметром 840 мм).
Наличие 0,3—0,5% Мо предохраняет отливку с таким режимом отпу-
ска от возникновения хрупкости отпуска.
Используя резкое алияние молибдена на свойства никелехромн-
стой стали и более эффективное влияние нескольких элементов, чем
какого-либо одного, в суммарном эквиваленте, в последнее время
разработаны новые марки конструкционной стали. Они характеризуют-
ся низкими содержаниями никеля и хрома, 0,4—0,7% Ni и 0,4—
0,6% Сг при 0,2—0,3% Мо. Вторая группа стали имеет еще более низ-
кие содержания — 0,3—0,5% Ni, 0,30—0,50% Сг и 0,08—0,15% Мо.
В зависимости от требуемых свойств и толщины изделия, варьируется
только содержание углерода примерно от 0,2 до 0,5%. Присадка
борсодержащих добавок увеличивает прокаливаемость этой стали.
Для сечений (круг или квадрат) до 75 мм возможно ограничиться со-
держанием углерода около 0,3%, а до 100 мм— 0,4%. Механические
свойства получаются достаточно равномерными для таких сечений
после резкой закалки (в масле). По показателям свойств они близки
к хромомолидбеновым, хромованадиевым и подобным маркам стали.
Вследствие большой экономии легирующих элементов и выплавки
с широким использованием возвратов эти стали начинают получать
широкое применение-
43*
Таблица Во
Механические свойств» пикелехромомолибденовой стали по пробным планкам в зависимости от состава мкалжп в масле или на воздухе
(4,5— производственные данные автора, остальные по пробным планкам по разным литературным источникам).
пробных планок Состав стали, % Термическая обработка Механические свойства
С Ni м. Bs «»/.«.«> eh кг)мм1 а,1вь 100 °/в »/в Ф % Нв
0,25 0,50 0,70 0,28 900а + 700п! 33 57 67 22 35
2 0,26 0,50 0,70 0,28 900» 4- 700 и 50 66 74 18 34 190
3 0,25 2,44 0,65 о,з« 900в 650 п 48 75 65 18 33
4 0,35 1,53 0,97 0,31 900 в 4- 670 п 57 79 73 22 .51 240
5 0,35 1,53 0,97 0,31 850м -j- 675 п 55 79 70 24 52 252
6 0,45 1,87 0,83 0,40 90Ов -|- 675 п 63 84 75 17 25 262
7 0,55 1,65 0,82 0,50 900в 126 144 ‘ 87 5,0 10,0 500
£
§
। См. сноску к табл. 34, стр, 271.
£
I
§
Отливки из хромоникелевой стали
СП
3. Свойства отливок из гткелехромомарганцемолибденовой
и других марок комплексной стали иа базе никель-хром
Повышение содержания марганца сверх 0,8—0,9% или кремния
сверх 0,45—0,50%, как обычно нормальных содержаний, Производится
со специальной целью дополнительного легирования.
Распространен, например, состав стали с 0,30—0,40% С; 1,25—
1,60% Мп; 1,0—1,30% Ni; 0,60-6,75% Сг и 0,30—0,40% Мо.
Получаемое сложное влияние многочисленных элементов оказы-
вается чрезвычайно эффективным. Прокаливаем ость и др.
свойства стали повышаются и превосходят соответ-
ствующие показатели той стали, которая имела бы
содержание никеля или хрома, равное сумме всех
этих элементов.
Для толщин 50—60 мм не следует подвергать отливки из этой
стали закалке в масле. Из-за высокой прокаливаемое™ свойства полу-
чаются практически одинаковыми и при закалке на воздухе. В зависи-
мости от требований к оттивкам можно применить такую закалку и
для более массивных сечений.
При низком отпуске стали (210—240°) даже после нормализации
можно получить очень высокое зй, до 130—140 кг!ммг, при хорошей
пластичности, 30% (рис. 473)
Произведя дополнительное легирование- кремнием, получив NI-Cr-
Mn-Si-Mo-ствль -и примем в звкалку в воде, советские металлурги
Ркс 473. Механические свойстаа никелекромо-
маргакцемолибдеиовой стали состава стр. 677
в зввисниости от температуры отпуска после
нормалиэацнн с 900°
создали знаменитую по стойкости броню наших уощных танков. Литые
башни из этой стали показали очень высокую бронестойкость. При
этом расход стратегически важных легирующих элементов оказался
значительно ниже вследствие многокомпонентного состава стали.
Для массивных отливок, подвергаемых износу, можно применить
Ni-Cr-Mn-Mo- или Ni-Cr-Mn-Si-Mo- сталь с высоким содержанием
углерода, до 0,7—0,9%. После простой нормализации подобная сталь
может дать Нв от 300—400 в зависимости от температуры отпуска
Cb от 105 до 140 кг/мм5 при ~ 10%)
Ванадий вводят в сталь любой марки, содержащую хром и нп-
кель, чтобы умельчить строение ее при первичной кристаллизации и все
1 Справочник ио стальвому литью, 1941, 204.
078
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
же несколько увеличить ее прокаливаемость. Вольфрам, k«Jk и мо-
либден, вводят для уменьшения чувствительности и хрупкости отпуска
(табл. 86).
Таблица 86
Механические свойстм макелехромастой стали, доиолннгельло легированно! ванадием
и вольфрамом
Приведенные данные получены по пробным планкам, термически
обработанным вместе с отливками.
Б. отливки из конструкционной среднелегированнои
ХРОМОМ И НИКЕЛЕМ СТАЛИ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ
ФИЗИЧЕСКИМИ И ХИМИЧЕСКИМИ свойствами
При необходимости получить показатели механических свойств
еще более высокими, чем дает низколегированная хромом и никелем
конструкционная сталь, применяют среднелегированную
сталь. Ее также необходимо применять только для отливок с боль-
шой толщиной стенок. Наибольшие отливки, изготовленные до сего
времени из такой стали, имеют вес около 200 т н толщину стенок до
800 мм. В среднетсгнрованпой стали повышается преимущественно со-
держание никеля, достигающее 4—5%. Реже применяются «обратные»,
т. е. хромоникелевые стали, с ведущим элементом хромом до 2,5—
3,0%.
Такая среднелегированная конструкционная сталь, параду с вы-
сокими механическими, приобретает и специальные физические н хими-
ческие свойства, сообщаемые никелем и хромом. «Прямая» нике-
лехромистая сталь с высоким содержанием никеля обладает
повышенной стойкостью в морской воде н щелочах.
«Обратная» хромоникелевая сталь обладает повышен-
ным сопротивлением износу.
Наиболее распространенные составы среднелегированной конструк-
ционной никелехромнстой стали с очень высокими механическими
свойствами в самых массивных отливках лежат в пределах 0,20--
0,40% С; до 1,5% Сг, 4—4,5% Ni; 2—2»5 = Ni/Cr; 0,3—0.4% Мп
или до 1% W.
«Обратные» хромоникелевые стали обычно содержат 0,15—0,25 % С,
2,5-3,0% Сг: 1,0—1.5% Ni; 2 = Cr/Ni; 0,3—0,4% Мо.
Несмотря на необходимость замены никеля другими элементами,
для массивных отливок с толщиной стенок свыше 200 мм до сих пор
еще не известны заменители, способные дать столь высокую степень
пластичности и равномерности свойств. Возможны только некоторые
варианты в многокомпонентностн состава, в изменении содержания угле-
рода и режима термической обработки, в применении обратной хромо-
никелевой стали, чтобы несколько снизить содержание никеля. В пос-
Отливки из хромоникелевой стали
В7У
ладнее время усиленно исследуются медистые стали, дисперсионное
твердение которых тоже обеспечивает равномерность меха-
нических свойств. Но показатели этих свойств уступают показа-
телям среднелегнрованной стали с хромом и никелем.
Так как подобные стали применяются только для массивных отли
вок, то даже при охлаждении после отпуска на воздухе нельзя обеспе
чить в срединных зонах отливки такую скорость охлаждения, которая
предотвратила бы хрупкость отпуска. Поэтому такие
стали, как и низколегированные, необходимо дополнительно ле-
гировать молибденом или в о л ь ф р а м о м. Для умельчения
же первичного строения желательно вводить около 0,1% ванадия. Та-
кие среднелегированные стали обеспечат сочетание равномерных и вы-
соких механических свойстэ с минимальными напряжениями в массив-
ных отливках. Последней фазой термической обработки их должен
явиться высокий отпуск с медленным охлаждением.
Для иллюстрации получаемых механических свойств можно при-
вести следующие данные из практики автора (табл. 87).
Таблица 87
Механические свойства различных марок среднелегнровявлой стали С кромок
и никелем (ио пробным планкам, термически обработанным с отлнака н)
2
3
4
5
б
7
8
Состав стали,
С Ст М Mb
0,24
0,24
0,29
0,32
0,33
О, >2
0,40
1,43
1,12
1,47
0,65
0,79
1,02
2,48
3.91
3.115
3.66
3.19
2,42
2.37
0,26
1.52
0,41
Механические свойства
Термическая
обработка
900м+650в
850и-р650в
900в4-830.4+620п
900в+650в
82<1м4б<Юв
900в+650в
820в j 78(1мТ600в
900в4б50п
KtjMM*
21 8
18,1
16.G
63,7
86,1
97,0
89,3
91,0
74,2
101
80,5
69 2
78,3
70.7
75,1
57,7
82.2
67.2
Обратная среднелегированная хромоникелевая сталь № 8 обла-
дает, при содержании углерода не выше О,25°/о, достаточно высоким»!
свойствами, эквивалентными прямой никелехромистой стали в отлив-
ках 120 мм толщины (№ 1 2 и 4). Ударная вязкость такой стали
достигает 12 кгм/см2 по Менаже, несмотря на медленное охлаждение
после высокого отпуска.
В. СВОЙСТВА ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОЙ
ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ И НИКЕЛЕХРОМИСТОЙ СТАЛИ
1. Отливки из высоколегированной хромоникелевой
и ннкелехромистой стали
>
Высоколегированная хромом и никелем сталь имеет широкое и
разнообразное применение для кислотоупорных и жароупорных отли-
вок различного назначения и различной конфигурации В связи с этим
составы применяемой стали также отличаются различными многочис-
ленными вариациями не только в отношении основных элементов- уг-
лерода, хрома, никеля, во и дополнительно легирующих- мблибдена,
меди, кремния, алюминия, марганца, азота, титана, ниобия, тантала
и селена.
По свойствам и применению для отливок все эти стали раз-
деляются на две основные группы; кислотоупорные и Ж'-ро-
680
Свойства стальных отлнвок и влияние на них состава стали
упорные (жаростойкие я жаропрочные) По строению их можно
разделить на четыре основные группы- чисто аустенитные,
а у стен и т н о-ф е р р нтн ы е, ферритно-аустенитные н чи-
сто ферритные При высоком содержании углерода все эти груп-
пы могут принадлежать к соответствующему карбидному классу
(аустенитно-карбидная, ферритно-карбндная сталь).
Трудно провести точное разграничение между кислотоупорными и
жароупорными марками стали для отливок. Они могут применяться
одновременно в различных коррозионных средах при различных тем-
пературах.
Жаростойкая хромоникелевая сталь Сг, 12% Ni) обладает
хорошими свойствами в окислительных газах и плохой стойкостью в
сернистых. Кислотоупорная хромоникелевая сталь 18% Сг и В% Ni
обладает хорошей стойкостью в азотной кислоте и малой стойкостью
в серной (воадейстане катиона водорода). В этих условиях удовлетво-
рительной стойкостью обладает уже кислотоупорная никелехромнстая
обратная сталь с 8% Ni и 18%.Сг Обобщая, можно заключить, что
жаростойкие стали, имеющие обычно высокое содержание хрома и
никеля, могут служить в в качестве кислотоупорных Стойкость Же
отливок из кислотоупорной стали определяется обычно условиями ра-
боты в жидких и газовых средах при температурах до 650—700°.
На основе различных литературных и производственных тайных
может быть предложена для отливок стандартная классификация
кислотоупорной и жаростойкой стали в зависимости от состава: н и к е-
лех рсмистая, хромоникелевая и Хромистая стЬлт.
По этим данным кислотоупорная сталь может иметь марки ни-
келехромистая 17—20% и 34—37% Ni при 6—10 и 13—17% Сг; хромо-
никелевые 17—22, 22—26% Сг и 7—9; 10—12% N1; хромистые 16—20:
26—30% Сг и до 3% NL Жаростойкая сталь может иметь марки: ни-
келехромистые 17—24; 24—27 и далее, до 65—68% Ni «ри соответ-
ствующем содержании 6—10, 18—22% Сг; хромоникелевые 17—23;
23—28 и 28—32% Сг при 6—10; 10—13 и до 28—31 % Ni: хромистые
16—24; 25—30 и 31—35% Сг и До 3% Ni.
Наиболее распространенной маркой кислотоупорной стали для от-
ливок является хромоникелевая 18% Сг и 8% Ми никелехромистая
18% Ni и 8% Сг. Наиболее распространенной маркой жаростойкой
стали является хромоникелевая 25% Сг и 12—20% Ni и никелехромн-
стая (нихром) 35 и 60% Ni при 15 и 12% Сг. Рассмотрение свойств
отливок из каждой перечисленной марки стали в рвмках данного кур-
са произвести нельзя. Здесь приводятся лишь некоторые общие поло-
жения по принципиальной оценке свойств соответствующих отливок.
2. Свойства отливок из кислотоупорной метастаСильной
аустенитной хромоникелевой стали на базе 18% Сг и 8% N1
Кислотоупорные отливки, работающие в агрессивных средах (оки-
слительные растворы, различные продукты при производстве нефти
и т. д.), чаще всего заливаются из высоколегированной стали, содер-
жащей 18—22% Сг и 7—9% Ni- Эта сталь широко известна под мар-
ками Я1, Я2. Я1Т в СССР, Anka 2 в Англии1, V2A в Германии2 3,
CN—40 в США’ или просто под обозначением 18/84
1 Anka — Austenitic Nickel Chromium Alloys
3 V2A — Versuch № 2 Austenft
3 CN—40: C—Chromium. N—Nickel
* 18/8—числитель — содержание хрома, знаменатель—содержание никеля. По-
добное обозначение дробью содержаний хрома и никеля во всех составах высоко-
легированной стали прилито в дальней гнем кик наиболее удобное в методическом
Отливкя из хромоникелевой стали
Ml
Содержание хрома установлено в 18%, как нижний предел, для
того, чтобы обеспечить минимальную концентрацию 1 8 моли в твер-
дом растворе после связывания углерода в специальный карбнд (Сг,
Fe)«C. Содержание же никеля в 8% требуется для получения аусте-
нитного строения стали, рис 474.
Из диаграммы состояний Fe Cr-Ni (см. рис. 474) видно, что мини-
мальное содержание никеля 7% обеспечивает аустенитное строение
(обычно в воде) с 900—1150’ Из
только при резкой закалке отливки
диаграммы также видно, что при
повышении содержания хрома вы-
ше 22%, вследствие влияния хрома
на сужение области 7 уже не по-
лучится чисто аустенитного строе-
ния даже при закалке. Сталь будет
двухфазной, аустенигно-ферритной.
Необходимо отметить, что по
ряду современных исследований
очень чистая сталь 18/8, выплав-
ленная в вакууме и содержащая
менее 0,001% N, даже при закалке
с 1150° оказывается не аустенит-
ной, а ферритной. Сталь того
же состава, выплавленная в усло-
виях поглощения азота, оказывает-
ся уже чисто аустенитной (обычно
в стали 18/8 прн плавке в элек-
тропечах имеется 0,02—0,04% N).
0 4'8 -2 7$ 4 S !2 !Б 2вП
1£Сг Нинель, •/ gfti -Гром, %
' S2ft
Рис. 474. Влияние никеля нз строе-
ние стали е 18% Ст (слева) и вляя
няе хрома на строение стало
с 8% Ni (справа)
Эти точные исследования, опрокинувшие обычные представления
об аустенитном строении стали 18/8, как органически нормальном для
нее после закалки подчеркивают чрезвычайно резкое влияние различ-
ных элементов состава высоколегированной хромом и никелем стали
на ее строение. Это положение часто скрадывается при изготовлении
изделий путем пластической обработки. Но оно имеет большое
значение для правильного выбора состава кисло-
тоупорной стали соответственно назначению отли-
вок. Так, например, исследования в СССР уже давно установили, что
сталь 18/8 с очень низким содержанием углерода (около 0,07%) в мас-
сивных отливках имеет не аустенитное строение, как обычно считают,
а аустенитно-ферритное [63, 8].
Эти данные впоследствии были подтверждены Джонсом, опреде-
лившим, что литая сталь 18/8, имеющая < 0.07 % С, слабо магнитна
даже после закалки с 1100° в воде [182J.
Чисто аустенитное однофазное строение стали в отливке желатель-
но во многих случаях. Оно обеспечивает более высокую антикоррози-
онную стойкость и лучшую пластичность, чем двухфазное строение.
Состав стали в отношении элементов, расширяющих и сужающих об-
ласть у, должен быть так забалансирован, чтобы обеспечить, если
это требуется, действительно только однофазное чисто аустенитное
строение. Он может быть подобран и таким образом, чтобы дать
двухфазное строение с различным количеством феррита. Основ-
ная особенность подбора состава высоколегированной стали для отли-
вок заключается в том, что, кроме учета влияния элементов- только
по диаграммам состояний ва сужение иля расширение области
необходимо учитывать скорость з а т в.ерд е ваиая
отливки.
6е2 Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Для рассмотрения особенностей свойств отливок и влияния состава
стали на базе 18/8 необходимо кратко оценить сравнительные свойства
отливок из аустенитной стали 18 8 н мартенситной с 18% Сг.
Коррозионная стойкость отливок ив аустенитной стали 18/8 значи-
тельно выше, чем из мартенситной с тем же содержанием хрома Бла-
годаря однородному и равномерному строению аустенита не возникает
местных гальванических пар между карбидами и основной массой
твердого раствора, что наблюдается в стали мартенситного класса
Кроме того, при одном и том же содержании хрома 18% н углерода
около 0,2% основная масса твердого раствора (феррита) в мартенсит-
ной стали имеет меньшую концентрацию хрома. В аустенитной же ста-
ли весь углерод находится в твердом растворе.
Получаемая разница в коррозионной стойкости настолько велика,
что не только определяет применение аустенитной хромоникелевой
стали для работы в более агрессивных средах, но и допускает экспло-
атацию отливок с литейной коркой. Отливки же из мартенсит-
ной нержавеющей стали, как отмечалось, обладают удовлетворитель-
ной стойкостью только в том случае, если они шлифованы или даже
полированы. Это обстоятельство настолько важно, что часто является
решающим для выбора стали 18/8 вместо хромистой мартенситного
класса, несмотря на расход никеля. Следует учесть, что это возможно
только тогда, когда отливки не подвергаются большим нагрузкам при
службе, так как сталь 18/8 обладает характерным для аустенита низ-
ким пределом упругости. Зато пластичность ее чрезвычайно высока, что
имеет большое значение не только для службы, но и для получения
здоровой отливки.
Таким образом, для отлнвок, работающих под большой нагрузкой
в агрессивных коррозионных средах, нельзя применять нн нержавею-
щую сталь мартенситного класса вследствие малого сопротивления
коррозии, ни кислотоупорную аустенитную хромоникелевую сталь
вследствие низкого предела упругости.
Для таких отлнвок нужно выбирать особые марки стали, отлича-
ющиеся высоким сопротивлением коррозии при одновременно высокой
прочности. Некоторые марки аустенитно-феррптной и особенно феррит
но-аустенитной стали отвечают этим требованиям и рассматриваются
ниже.
Отливки из аустенитной стали 18 8 приходится, аналогично
отливкам из стали Гадфилвда, применять только после
закалки в воде с 1050—1150°. При отпуске этой аустенитной
стали или при большой пластической деформации в холодном состоя-
нии происходит, как и в стали Гадфильда, выпадение карбидов и ча-
стичный распад аустенита с местными превращениями.
Аустенит стали 18/8 в такой же степени мало устойчив, как
и аустенит стали Гадфильда. При выпадении карбидов н частичном
превращении у — а сталь 18/8 немедленно ухудшает свои антикорро-
зионные свойства, теряет немагиитность и высокую пластичность
Антикоррозионные свойства ухудшаются, как известно, вследствие
обеднения основной массы твердого раствора хромом при выпадении
карбидов и возникновении местных гальванических пар. Выпадение
карбидов в литой стали идет преимущественно по границам зерен, чпо
вызывает интенсивное развитие межкристаллитной (интеркристаллнт
ной) коррозии. Этот вид коррозии является главным недо
статком аустенитной кислотоупорной стали, наибо
.лее легко в ней возникающим.
При интеркристаллитной коррозии сталь при ударе теряет свой
звон, легко изгибается и ломается, как картон. В некоторых случаях
возможно даже выпадение отдельных крупных зерен, лишенных связи
Отливки из хромоникелевой стали
6М
между собой. Механические свойства стали, пораженмей интеркриста.т-
литной коррозией, резко падают. Сталь лишается всякой прочности
И пластичности.
Для представления о механизме выведения карбидов, о вредных
температурах, о свойствах и строении стали 18 8 в отливках при раз-
личном содержании углерода и различной термической обработке при-
водится диаграмма состояний, рис. 475 1182).
Наглядно усматривается резкое совместное влияние хрома и нике-
ля иа передвижение влево всех критических точек. Так, например.
Рис. 47Б Псевдобииарнги диаграмма состояний
Ге—Сг—Ni—С для разреза 18% Сг и 8% Ni.
Влияние углерода аа строение стали 18/8
эвтектическая точка С вместо 4,3% С отвечает только 0,7% С,
а концентрационная точка Е вместо 2,0% С — только 0,5% С. Таким
образом, стали типа 18/8 с содержанием углерода 0,5—0,7% и выше
0,7% являются аустеннтно-карбндяыми сталями и даже до- и заэвтек-
тическими чугунами.
При содержании углерода ниже 0,5 и до 0,02% происходит при
медленном охлаждении выпадение карбидов из твердого раствора по
линии ES растворимости углерода в аустените. По окончании медлен-
ного охлаждения или в сыром литом состоянии строение стали будет
аустенит + ферриткарбиды (т + а+С). При такой структуре
сталь будет обладать худшей коррозионной стойкостью и еще удовлет-
ворительной, но сравнительно все же малой пластичностью.
Для получения однофазной аустенитной структуры необходимо
резким охлаждением зафиксировать аустенитное строение, имеющееся
при температурах выше линии PSK. Чем выше содержание
углерода, тем, в противоположность обычной стали,- выше дол-
жна быть температура закалки стали 18/8. При содер-
жании 0,2% С температура закалки должна быть, например, 1050э.
а при 0,3% С уже около 1200°.
М4 Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Рис. 476. Выпадение карбидов но т?аняц»м
зерен литой аустенггяой стали 18/8 через Змин.
нагрева при 700°. Х2500
Вследствие необходимости быстрого охлаждения от высоких тем-
ператур нужно считаться с неизбежным возникновением крупных терми-
ческих напряжений в отливках из стали 18/8. Эти напряжения будут
велики потому, что сталь отличается очень малой теплопроводностью,
в два-три раза меньше обычной углеродистой. Однако вследствие
малого предела упругости н высокой пластичности после закалки на
аустенит, остаточные напряжения невелики и холодные трещины в от
тивках получаются сравнительно редко.
Отливки из стали 18/8 нельзя подвергать отпуску
после закалки для снятия напряжений. Как видно из рис. 475
при нагреве стали 18/8 выше температуры линии PSK немедленно
начнется выпадение карби-
дов, обеднение основной
массы хромом и превраще-
ние у -* а совершенно ана-
логично явлениям в высо-
комарганйовой стали.
Быстрое выпаде-
ние карбидов имеет
очень важное значение для
свойств отливки и является
основным недостат-
ком стали 18/8. Это не
позволяет использовать от-
ливки для сварки с други-
ми элементами конструкции
или заварить дефекты от-
ливки без последующей
повторной закалки. Вблизи
завариваемого места долж-
на быть зона температур
сх> 600—700°. В этом участ-
ке неизбежно произойдет
выпадение карбидов, воз-
никнет опасность интеркри-
сталлитной коррозии, пони-
зится пластичность стали.
Интенсивное и обильное
выпадение карбидов по гра-
ницам зерна литой стали
18/8 в течение только
3 мин. нагрева прц 700"
кляюсгрйруется исследованием (8], рис. 476.
Столь легкое выпадение карбидов при медленном охлаждении или
при нагреве необходимо учитывать при выборе правильного содержа-
ния углерода в стали 18/8 для отливок. Очевидно, что в 'массивных
отливкйх из малотеплопроводной стали 18/8, имеющих малую скорость
охлаждения срединных зон даже при закалке в воде, будет происхо-
дить интенсивное выпадение карбидов и ухудшение свойств соответст-
вующих сечений.
Поэтому, чем массивнее отливка, тек ниже должно
быть содержание углерода для предотвращения выпадения
карбидов.
Предельное содержащие углерода в стали 18/8 при изготовлении
фасонных отливок должно быть не выше 0,20—0,25%. Как видно
Отливы ш хроаочикемйвй стали
658
из рис. 475, первичная кристаллизация стали, содержащей выше0,25% С,
идет только через ?-твердый раствор. При более низком содержании
углерода образуются уже первичные кристаллиты как у-, так и 8-
твердого раствора. В массивных отливках, при содержании углерода
выше 0,25%, возможно пояаленхе крупных выделений карбидов по
границам аустенитных зерен. Как и в отливках из стали Гадфильда,
при нагрене под закалку и выдержке при соответствующей темпера-
туре в области у-твердого раствора возможно неполное растворение
крупных карбидов. Если же оно и произойдет, то в местах их зале-
гания между зернами останутся межкристаллитные микротрещины.
л?
*
Рис. 477. Влияние углеро-
да на ыехАинческна свой-
ства литой стати 18/8
после закалки С 1050°
в 1воде (колебания состава
в %: ио крону 18,0—48,7;
по никелю 8,8—9,1; по
кремнию 0,81—1,22; по
Марганцу 0,54—0,74). От-
ливки—пробные 11ЛИ1КИ
толщиной 45 «м в песчвной
Поэтому для многих отливок предельное содержание углерода
даже в 0,25% является чрезмерно высоким. Для отливок массивных
или очень сложной конфигурации, которые
нельзя подвергать закалке в воде, нужно
иметь еще более низкое содержание угле-
рода. Оно позволит также понизить тем-
пературу закалки. Необходимо отметить,
что в литой стали повышение содержания
углерода сверх 0,25% может иногда значи- *
тельно понижать пластичность [8], рис. 477.
]Из данных рис 477, хорошо согласую- 1
шихся с многочисленными не приводимы- 4-4
ми здесь литературными данными о высо- ’f
кой пластичности стали, имеющей 0,2% С, хГ с
также следует, что сталь 18/8 и при малом
пределе текучести обладает сравнительно
высоким пределом прочности. При этом
показатели и аь в стали 18/8 с содер-
жанием углерода выше 0,25% приближа
ются даже к соответств)К>щим показателям
конструкционной низколегированной стали.
Практически эти свойства нельзя использо-
зать, вследствие понижения коррозионной
стойкости у такой стали и ее дороговизны.
Ударная вязкость стали 18 8 очень вы-
сока, достигая 25—30 кгм}см2 (Менаже)
Сопротивление усталости при изгибе со-
ставляет около 25 KejMM1, достигая 0,55 эл
кай для стали с 0,07% С, так и с 0,12% С.
Таким образом, вследствие того, что
механические свойства стали 18/8 при из-
менении содержания углерода до 0,2% меняются сравнительно мало,
а высокие антикоррозионные свойства отливок еще улучшаются ярн
понижении углерода, обычно принимают в стали 18/8 для
отливок со средними толщинами стенок 0,08—0,16% С.
При этом температуру закалки отливок можно уже понизить до
1000—1050°. Для некоторых тонкостенных отливок можно даже огра-
ничиться охлаждением на воздухе вместо воды. Однако даже кратко-
временный нагрев отливок до 600—700° немедленно вызывает некото-
рое выпадение карбидов и в этой стали, несмотря на столь, казалось
бы, низкое содержание углерода.
Поэтому современная техника изготовления массивных и ответст-
венных отливок из стали 18/8 не может удовлетвориться получаемыми
показателями свойств стали 18'8 с содержанием углерода около 0,1%.
Для того, чтобы не допустить выпадения карбидов, было предложено
вводить в сталь 18/8 более сильные карбидобраэующие элементы, чем
686 Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
хром. Титан н ниобий, связывая углерод в более прочные карбиды,
пренятствует их выпадению по границам зерен при медленном охлаж-
дении или нагреве отливки выше линии PSK.
Сталь 18/8, содержащая 0,1% С и 04—0,5% Ti илн 0,8—0,9% Nb,
значительно более стойка в отношении выпадения карбидов.
Из стехиометрического расчета карбида TiC следовало бы вво-
дить Ti —= 4С, чтобы полностью связать углерод в TiC. Однако необхо-
дим некоторый избыток титана, тем более, что при его введении обра-
зуются также нитриды TiN. Поэтому, если, например, принять по диаг-
рамме рис. 475, что 0,02% С растворены в аустените «при любых усло-
виях, то можно предложить формулу для определения присадки титана
с целью предотвращения интеркрнсталлитной коррозии Ti (С—0,02) от
5,5 до 6,0. На основе аналогичных соображений может быть опреде-
лана-нвобхадимость. присадки 0,8—0,9% Nb (в 8—10 раз больше угле-
рода) .
Карбиды и нитриды титана, обладая высокой температурой плав-
ления, играют также роль инокулятора, резко умельчая строение прн
первичной, кристаллизации отливок из стали 18/8. В качестве чуже-
родных зародышей кристаллизации они расположены в виде включе
ний внутри зерен и поэтому при медленном охлаждении или при на
греве не выпадают по их границам.
Для качества отливок присадка титана важна не только
для предохранения от интеркрнсталлитной корро-
зии, но и для у мел ь ч е и и я строения металла. Кроме того,
титан, связывая углерод, освобождает соответствующее количество
хрома, переходящее в твердый раствор н повышающее его коррозион-
ную стойкость. Сталь 18/8 с известной присадкой титана будет обла-
дать удовлетворительными свойствами и при несколько повышенном
содержании углерода.
Из изложенного определяется большое и благотворное влияние
титана на свойства литой стали 18/8. Титан играет роль раскислителя
п успокоителя, стабилизатора карбидов и инокулятора. Титан облегча-
ет условия получения здоровой отливки вследствие умельчения строе-
ния и возможности применять сталь с несколько повышенным содер-
жанием углерода. При этом также облегчаются условия выплавки ста-
ли (требуется меньший перегрев, можно применять феррохром с 0,3—
0,4% С вместо очень дорогого и дефицитного безуглеродистого ферро-
хрома) .
Можно считать, что присадка титана к высоколегированной стали
18/8 ддя фасонного литья является столь же необходимой, как и мо-
либдена к низко- и среднелегнрованной хромом и никелем стали.
Многочисленные данные автора, полученные в цеховых условиях,
показали, что для умельчения строения и сохранения высокой пластич-
ности при содержании углерода несколько выше 0,25%, достаточно
иметь в стали 0,15—0,25% Ti. Для предотвращения же интеркристал-
лнтной коррозии требуются более высокие содержания титана (см.
выше формулу), но при этом понижается пластичность стали [8]
(табл. 88 и 89).
Даняые табл. 89 показывают, что введение титана, предотвращая
выпадение карбидов по границам зерен, предохраняет сталь от пони
женин пластичности после отпуска при 700°. Микроскопические иссле-
дования и определение чувствительности к интеркрнсталлитной корро-
зии приводят к заключению, что все же некоторое количество карби-
дов по границам зерен после отпуска имеется. Сталь 18/8 с титаном ие
обладает полным иммунитетом в отношении интеркрнсталлитной кор-
розии. Кроме того, введение титана понижает жидкотекучесть стали
из-за твердых включений, ТхС и TiN, и абсолютные показатели пластич-
Отлшжи из хромоникелевой стали
687
Состав стали, °,,
Механические свойства
кг!мм*
Влияние тнтаив (0,15—0,26%) на механические свойства литой стали 18Л с различ-
ным содержанием углерода (по пробным планкам, закалка в воде с 1160°)
/4
пробных
планок
61,5
59,9
62,0
60,1
6б,9
Ч
%
Не опр.
Не опр.
37
Титан
феррита)о
ности (при содержании выше
0,57
0,78
1,08
4-
•/.
0,26
I) ,28
0,31
1,18
1,24
0.95
0,69
Влияние титана (0,3—1,1%) на механические свойства литой
стали 18/8 после закалка в воде с 1160° и после отпуска
на 700° (полчаса)
Состояние отлавкн kzImm"1 кг{млА 4
0
Закалки 29,5 59,3 52,5
Отпуск ..... 30,6 60,1 47,2
Закалка .... 30,8 54,9 28.8
Отпуск 30.8 55,1 27,6
Закалка . . . 29,9 49,9 15,1
Отпуск. . 30,5 49,6 17,2
Закалка . . - 31.4 42,7 12,8
Отпуск ... 29,5 44.8 12,5
появления
0,5 % из-за
, г„ _ . ,.г____ ________________ ____ _____ _________При
0,8% Ti сталь имеет двухфазное строение, а при 3% Ti полностью
ферритное. Поэтому в практике ограничиваются введением только
0,15—0,25% Т1 для умельчення строения стали и до 0,5% Ti для неко-
торого предотвращения ннтеркристаллитной коррозия.
Современное же производство наиболее ответственных, массивных
и сложных отливок из стали 18/8 идет по пути дальнейшего макси-
мально возможного понижения содержания углерода. Действительно,
при понижении содержания углерода ниже 0,08%, что достигается
применением очень чистого феррохрома, каждая сотая углерода ока-
зывает большое влияние на улучшение антикоррозионных свойств ста-
ли и резко уменьшает возможность выпадения карбидов по границам
зерен. Современная сталь 18/8 для особо ответственных отливок содер-
жит уже только 0,04—0,08% С (почти полное отсутствие интеркри-
сталлитаой коррозии наступает прн 0,02% С).
При таком понижении абсолютного содержания углерода даже
прн медленном охлаждении массивных отливок выпадение карблдов
незначительно. Сталь сохраняет пластичность, вязкость и сравнительно
стойка против иитеркристаллитной коррозии (табл. 90)
688
Свойства стальных ртливок и влияние на них состава стали
Таблица SO
Влияние длительного натрем при 700—780° на скоАства литой стали 18/8, 18/»
25/20 [03]
Механические свойства
Термическая
обработка
кг[мм*
°ь
кг/мм?
•/«
кглЧсм1
Нв
15 мин.—ПООвд
35 дней 750в
35 » 1IL0»
I час—ПСОвд
8 час. 75(1в
35 дней 750в
29 недель—750в
1 час 780в
*5 диеА 750в
35 двей.11ООв
1 час 780я
35 дней 750в
29 недель 750в
€8,0
39,8
25,6»
61,0
51,6
50,6
54,0
41,6
20,0
55.4
48,5
25,8
15,6
58
24
59
69
63
t6
66
38
17
60
44
20
12
143
174
202
156
156
156
156
156
189
126
143
163
179
1 Низкое значение удлинения получено вследствие того, что образец сильно
окислился и должен был поэтому быть испытанным в виде плоского. а не круглого
образца.
Из результатов этого исследовании, Произведенного специально
для определения наилучших свойств и составов фасонного литья из
кислотоупорной и жароупорной стали.[53] видно: 1) в стали 18/8
с 0,10% С после выдержки в течение 35 дней при 750° происходит на-
столько сильное выпадение карбидов, что ударная вязкость падает
с 19,4 до 3,95 кгм!см2 (Менаже);
2) при понижении содержания углерода до 0,05% это выпадение
карбидов практически не отражается ни на пластичности, ни на удар
ной вязкости даже при выдержке 29 недель при 750°;
3) увеличение в стали с 18% Сг никеля до 20 вместо 9% с целью
повышения стабильности аустенита не может предотвратить выведе-
ния карбидов и резкого понижения ударной вязкости яри нагреве на
750° даже в течение 1 часа; при длительной же выдержке при 1100'
жароупорная сталь сохраняет высокие свойства равномерного аусте-
нита;
4) аналогичные результаты дает и жароупорная сталь 25/20, в ко-
торой выделение карбидов прогрессирует во времени (Ns 11—13,
табл. 90).
Сталь 18/8 с очень низким содержанием углерода обладает еще
некоторыми свойствами, имеющими большое значение для производ-
ства сложных и массивных отливок. Закалка отливок из такой стали
может уже производиться с 950—1000°, что уменьшает термические
напряжения по сравнению с закалкой с 1050—1150°.
Тонкостенные отливки часто уже в сыром состоянии обладают
такой высокой пластичностью, что вообще можно их пускать в экслло-
атацию без всякой термической обработки.
Отливки нз хромоникелевой стили
сел
Большое значение этого свойства ннзкоуглеродистой стали 18/8 для производ-
ства сложных отливок видно нз следующего примера. В практике «втора необхо-
димо было изготовить крупный винт диаметром 3.5 м дли большого корабля. Прн
закалке такой отливки не только в воде, но деже нв воздухе неизбежно будет ко-
робление лопастей- Поэтому намечено было залить винт сталью 18/8 с содержанием
<0,08% С и не подвергать отливку термической обработке. При плавке в луговой
электропечи, вследствие случайного падения куска электрода в ванну перед выпу-
ском был получен состав стали: 0,17% С; 0,93% Si; 0,78% Мп; 17,5% Сг; в,95% .V,
0,22% Ti.
В сыром состоянии сталь дала- ъ—33,7 кг1мм\ сь —41,2 пг/мм*; bs-^21,0%.
ф не определялось, аЛ (Меиаже) 11,7 кгмклА
Эти свойства, удовлетворительные даже для малолегироваппоЙ стали, не моглп
быть приняты для отливки из стали 18/8, так как показывали наличие карбидов по
границам зерен (удлинение меньше 40%). Оказалось необходимым подвергнуть от-
ливку закалке. Для уменьшения коробления желательно было установить по воз-
можности низкую температуру закалки. Специально проведенные прицельные испы-
тании пробных планок установили минимальную температуру закалки дли данной
стали в 1050—1080°:
Термическая
обработка
кг} мм*
кг/млА
h
°/о
(Меиаже)
930 вд. .
10*0 вд .
1150 вд . .
21,8
21,1
22,2
10
20
29,3
Отливку после закалки пришлось с большими трудностями править под прес-
сом в специальных приспособлениях. Трещин при этом не образовалось вследствие
исключительно высокой властичиоети стали.
Прн заливке лоласти гидротурбины с массивной сплошной втулкой диаметром
500 мм была получена уже сталь состанз: 0,08% С; 1.32% Si; O,7Wo Мп; 20,7% Сг;
7,48% Ni; 0,16% Ti
Исследование свойств этой отливки дало уже иные результаты — таблица 91.
Та б 1н ца 91
Мезаническне свойства низкоуглервдистой стали 18/8 в етлнвках
с различном толщиной стенок [631
№
плав-
ки
Термическая обработка
Сырое cvLiuiiHbc — пробная
планка толщиной 45 м и
То же -- сердцевина вт*л-
ки 0 500 мм . ... .
Закалка в воде с 1025',
сердцевина втулки . . .
Закалка на воздухе с 1025°,
сердцевина втулки . .
Охлаждение 200 /час с
1025°, сердцевина втул-
ки . ........
Охлаждение 100°/час с
1025°, сердцевина втул-
ки ....................
Охлаждение в печи с 7805
42,9
27.2
27,9
31,4
31,0
44 Вчк. Тч ТО. А. Нехслдвв
кг-мм*
65.3
55,2
56,5
58,9
а5,8
°/.
36,3
28,0
55,0
42,0
37,2
35,0
15,0
«л (Ме-
наже)
кгм/см'"
Бел
шейки
То же
Плос-
кая
шейка
То же
Без
шейки
Не оп- 149
редел.
Неол-
редел.
27,3
25,0 179
27,0 Неол-
редел.
3
6
Свойства стальных ОТлиЬОК и ёлиЯние на них Цветова стала
Отливку практически уже можно было пустйть в яксплоагацию без тсрмиче
ской обработки или, с точке зрении еще лучшего качества, после закалки на воз-
духе с 1025° Однако 0,08% С в этой стали не предотвратило выпалеяия кирбидов
н некоторого понижения пластичности н вязкости при очень медленном охлаждении
или при нагреве на 780° (№ 6 и 7 табл. 91). Для таких условий необходима стать
с содержанием углерода, как указывалось, только 0,04—0,06%.
Следующей важной особенностью низкоутлеродистой стали 18/8
в применении к отливкам является их несколько повышенный
предел текучести и магнитя ость. Объясняется это, как
подчеркивалось выше, тем, что отливки из такой стали имеют не чисто
аустенитное, а двухфазное аустенитно-ферритное строение, рис. 478 [63 j.
Рис- 478. Двухфазное строение ннекоуглеродистоб
стали 18/8 (0.08% С; 20,7% Сг; 7,48% Ni; 0.1€% Ti).
в Отливке толщиной 45 жм (слева) н 500 м (справа).
Аустенит J- феррит 4- карбиды ДЗОО
Это строение сохраняется прн любых режимах термической обра-
ботки. Могут исчезнуть только растворяющиеся карбиды. Аустенит
и феррит остаются. Объяснение такого строения стали 18/8 получается
из рассмотрения верхней части диаграммы состояний рис. 475. При со-
держании углерода меньше 0,1% первичная кристаллизация характе-
ризуется образованием не только аустенитных зерен. Образуются так-
же кристаллиты 8-феррита. В условиях равновесия, как следует из
диаграммы, они должны при дальнейшем охлаждении получить пре-
вращение 5 При закалке сталь, казалось бы, должна получить
чисто аустенитное строение.
В действительных же условиях затвердевания отливки, вследствие
калений ликвации и медленной диффузии, образующиеся кристаллиты
Е -феррита могут не иметь превращения <3 -* -j. Никель растворяется
при кристаллизации преимущественно в родственной ему решетке
аустенита. Кристаллиты 6-феррита могут иметь, при данном содержа-
нии хрома (около 18%), такую низкую концентрацию никеля и угле-
рода, что превращений не произойдет. Получатся такие же непревра-
щаемые кристаллиты 8 — (а) -хромистого феррита, как и в рассмот-
ренной ранее мартенситной хромистой стали при неправильном, пони-
женном содержании углерода (стр- 653).
Влияние такой двухфазной аустенитно-ферритной структуры оказы-
вается, в противоположность частично ферритной структуре хромистой
стали, полезным для качества отливок из стали 18/8.
Коррозионная стойкость аустенитно-ферритной стали, несмотря на
двухфазное строение, мало отличается от стойкости чисто аустенитной
стали 18/8 вследствие высокого потенциала каждой фазы в отдельно-
сти. Наличие кристаллитов феррита уменьшает способность стали
к пнтеркристаллитной коррозии. Некоторое понижение пластичности
Отливки из XfioMOHi-кеч nttfi стали
1591
такой стали, вследствие меньшей пластичности феррита и известного
напряженного состояния на границе двух разнородных фаз, не имеет
практического значения. Сопротивление же пластическим деформациям
повышается (см. данные табл. 91)-
Изютовление стали 18/8 с очень низким содержанием углерода
несколько затруднено в мартеновской или даже в основной дуговой
электропечи. При правильном же процессе плавки на чистых и низко-
углеродистых шихтовых -материалах в индукционных высокочастотных
печах изготовление такой стали сравнительно просто. Эти печн являют
ся наилучшим плавильным агрегатом для выплавки высоколегирован-
ной хромом и никелем стали для фасонных отливок.
Для простых и тонкостенных отливок из стали 18/8 можно допу-
стить 0,15--0,20 и, в виде исключения, до Q,25°Jo С. Закалка таких от-
ливок в воде с 1050—1150° обязательна Для отливок со средней тол-
щиной стенок и средней сложности необходимо иметь 0,08—0,12% С
Закалка производится в воде или на воздухе, в зависимости от соста-
ва и конфигурации отливки. Для отливок массивных и сложной кон-
фигурации необходимо иметь 0,04—0,06% С и либо вовсе не подвер-
1 ать их термической обработке, либо закаливать на воздухе с 950—1050
Во всех случаях следует иметь в стали 6,15—0,25% Ti для умельче
ния строения. Для специальной борьбы с интеркристаллитной корро-
зией необходимо повышать содержание титана до 0,4—0,5% (при
0,08—0,12% С в стали).
'Содержание кремния в стали 18/8 необходимо иметь выше
0,5% для улучшения жидкотекучести и до 2—3% для повышения
жаростойкости. Кремнии как элемент, сужающий область т,
способствует появлению двухфазной, аустенитно-ферритной структуры
стали 18/8. Прочность отливок несколько возрастает, пластичность
уменьшается заметно только при повышении кремния сверх 3%
(табл. 92).
Таблица 92
Влияние кремния на механические свойств» литой стали 18/8
(Jfi 1 4 — по разным исс тедоваияям пробных планок, № 5—6 — производственные
данные автора)
№
2
3
4
5
6
Состав г -itn СТВЛ**, % Механические свойства
Si (г Ni кая обра- кг1мм* Ч Ф
0,06 2,79 18.6 8,65 1120 ид 30.6 55,3 58,5 69,9
0,06 14,4 10, 1120 я.ч 35,2 65,8 43,3 48
0,07 2,25 18,8 9,01 1050 вд. 31.6 61,9 60,0 55,0
0,08 1,88 19,9 8,72 050 вд 29,2 60,3 51.0 6 4
0,15 2.71 18,3 9,1.1 1100 вд 32,7 64,9 49,0 53.5
0,23 3.32 17.7 9.2») 1150 вд 33,8 68,1 20,0 20,0
Содержание марганца в стали 18/8 обычно 0,4—0,6 и редко до
I %, так как введение лишних 0,4% Мп в виде доменного ферромар
ганца повышает содержание углерода на 0,03—0,04% В сталь 18/8
марганец вообще необходимо вводить только в виде низкоуглеродисто-
го ферромарганца. Повышение содержания марганца до 2% не влияет
на механические свойства и не улучшает антикоррозионные (табл. 93)
692
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
' Таблица 93
Влияние маргаиц® на механические свойства лжтой стали 18/8
после заяалкн в воде с 1100° (данные автора)
сослав стали, Ofo
2
3
4
5
6
0,14
U, 14
0,14
0,30
0,30
0.30
0,47
J.78
2,07
U.65
1.81
2,12
19,3
19,3
19.3
10,1
10,1
10,1
11,и
11,0
11,0
Механические свойства
кг/мм* °ь Kt) ММ* 4
%
28,1 59,2 61.8 58
26,0 59,2 51,0 33
28,11 59,2 58,6 58
30,0 55,3 13,7 14
30,0 53,6 14.9 14
30,0 57,2 14.2 14
№
Дальнейшее повышение содержания марганца может немного сэко-
номить никель, если допускается частично ферритное строение. По
различный исследованиям сталь с 18% Сг, 6% Ni и 4% Мл при
0,1% С имеет строение 95% аустенита и 5% феррита, а при 4% Ni
и 6% Мп уже 80% 7 4-20% а. Сгаль с 18% Сг, в которой никель
полностью заменен марганцем, т. е. сталь 18% Сг + 8% Мл, характе-
ризуется строением 50% 7 4- 50% а При содержании С <6,1 % эта
сталь имеет промышленное применение.
Однако в отношении экономии никеля в обеспечения аустенитного
строения гораздо эффективнее алияние азота, введение которого до
0,25% позволяет понизить содержание никеля до 4—6% при сохране-
нии аустенитной структуры и коррозионной сгойкости стали. Получае-
мая сталь 18/4 с 0,2—0,3% N имеет устойчивое аустенитное строение,
так как аустенитизирующее влияние азота заключается также в том,
что он связывает известное количество хрома.
В связи с этим при работе в агрессивных средах цетесообразно
повысить содержание хрома с 18 до 20—22%. При 20—22°/в Сг аусте-
нитное строение получается, если в стали содержится 3,5% Мп; 3,5% Ni
и 0.2% N. При работе же в менее агрессивных средах можно полно-
стью заменить никель марганцем и получить аустенитное строение в
стали состава: 15% Сг; |5"/о Мп и 0.20% N (см. стр. 659).
Содержание фосфора в стали 18Z 8 может быть допущено до
0,1 % вследствие ее аустенитного строения. Если процесс плавки ве-
дется в основных печах с полным окислением и обезуглероживанием
металла, то содержание фосфора обычно автоматически низкое, до
0,02—0,03% (железисто-известковые шлаки). Прн плавке же в кислой
печи применяются обычно чистые исходные материалы. Содержание
фосфора получается также низким.
Содержание серы определяется общими соображениями, изло-
женными ранее для всех марок стали. В катаных изделиях из стали
18/8 иногда специально повышают содержание серы до 0,2% с целью
улучшения обрабатываемости. Несмотря на то. что сера вводится при
наличии молибдена или циркония, чтобы образовались их сульфиды,
ма ю влияющие на красноломкость, все же в сталь для отливок введе-
ние такого содержания серы недопустимо. Для улучшения обрабаты-
ваемости в сталь 18/8 для отливок вводят иногда селен до 0,30%,
нс вызывающий по исследованию автора образования гооячйх трещин.
Отливки из хвоНюнпкелсваЛ стали
693
Содержание алюминия обычно 0,10—0,15%. В последнее вре-
мя различными исследованиями определено, что повышение содержа-
ния алюминия до 1,75 и 3,25% повышает а, и аЛ отливок из стали
20/10 весьма значительно за счет некоторого понижения пластичности,
особенно выше 1,0% AI, рис. 479 [/183].
Это действие влюминия объясняется его влиянием на сужение
области т и на появление, следовательно, в стали 18/8 двухфазного
строения. В связи с
этим аустенитно-фер-
ритная сталь 18/8+А1
отличается также бо-
лее мелкозернистым
строением, чем чисто
аустенитная сталь |8/8.
В данном случае влия-
ние алюминия подобно
влиянию очень низкого
содержания углерода.
Алюминий также
повышает жаростой-
кость и коррозионную
стойкость стали 18 8
в некоторых средах.
Сталь 18/8 вообще не
обладает стойкостью в
холодной или горячей
серной и сернистой ки-
слоте (производство
целлюлозы), горячей
уксусной кислоте, со-
{нзод)
an
\f,0
70
60 $ 8J25
50
W а. 550
30<£
20 2.75
fO
О Ofi 08 12 2Д
Алюминий, °А
Рис. 479. Влияние алюминия иа механические свой-
ства стали 20/10 при 0,11—0,14% С по пробным
танкам 50 л.« после закалки в воде с 1095°
ляной кислоте и тому подобных средах. Введение молибдена
2—4% делает стиль 18/8 промышленно стойкой во многих из эгнх
реагентов, особенно и сернистой кислоте.
Молибден как элемент карбидобразующий и сужающий область т
позволяет иметь несколько повышенное содержание углерода в стали
18/8 без заметного понижения ее качества, умельчает строение пер-
вичной кристаллизации, повышает прочность, мало отражаясь на пла-
стичности (табл. 94).
Таблица 94
Влияние яолибдева на механические свойстве литой стали 18/8 после закалки
в воде С 1050—1200° (1—3 различные данные по пробным планкам,
М 4—5 — производственные данные автора)
№ Состав стали, % Механические свойства
С Сг Nl Мп ка/лтл1 к?! мм'
»Л
* '| ” 0,04 19,0 9,43 3,18 30,5 56,2 50 0 70.2
2 о.ю 18,1 8,38 3,08 31,9 62,9 49,0
3 <1,12 19,0 9,07 4,05 47,1 68,2 38,0 49,0
0,14 17,8 9,36 2,784-0.15 Т1 33,9 58.5 55,1 64,0
5 0,25 18,9 10.5 2.684-0,27 Т1 35.1 59,8 61,4 53,0
694 Свойства стальныл отливок и влияние на них состава стали
Повышение содержания молибдена увеличивает также сопротив-
ление ползучести стали 18/8. Аналогичное алияние оказывает присадка
1—2% W. Соответствующие показатели жаропрочности и жаростойко-
сти стали 18/8 представлены на рис 367.
3. Свойства отливок из кислотоупорной и жаростойкой стали
на базе 25 % Сг." метастабильиой аустенитной «тали 25/12,
стабильно-аустенитной 25'20 и ферритно-аустенитной 29/9 и 25/5
Сталь 18/8 даже с присадкой молибдена нс обладает высокой кор-
розионной стойкостью в ряде сред. В восстановительной же атмосфере
Никвлй, %
Ряс. 480. Влияние
никеля на строе-
ние стали, содер-
жащем 24О/о Сг:
F — ферритное;
F1- А - ферржт
гю-аустсипто*-- Л—
аустенитной
при высоких температурах ее стойкость совсем мала
При температуре выше 1100° жаростойкостью вооб-
ще обладает сталь только с содержанием хрома вы-
ше 20% (см. рис. 367). При этом необходимо одно-
временно повышать содержание никеля для увеличе-
ния жаропрочности и, в зависимости от условий
службы, для обеспечения аустенитного строения ста-
ли. Строение стали с 25% Сг, в зависимости от раз-
личного содержания никеля, определяется в виде
первого приближения из диаграммы рис 480.
Из рис 480 видно, что для получения аустенит-
ного строения необходимо произвести закалку стали
с температур 4000—1100° и иметь в ней при 2Б% Сг
около 12% Ni. Сталь среднего состава 25/12 являет-
ся одновременно кислотоупорной и жаростойкой,
превосходя в этом отношении сталь 18 8 (табл. 95)
Таблица 95
Механические свойства литов стали 25/12 при нормальных температурах завцен-
мости от содержания углерода и термической обработки (Л4 1—5 —по рахаичным
производственным данным, Jft 6, 7 — по данным [1751
Состав стали, ",
Механические свойства
№
2
I
Сг Ni
Търчическая
обработка
«г/.чл4*
Нв
0,10
0.12
0,15
0,25
0.33
0,42
25,0
25,1
26,0
25,5
24,2
23,7
11,5
11,3
Сырая
1095в
Ю65в
12В0в1
115Свд
Сырая
28,5
32,7
37,6
13,6
42,2
23.2
170
156
но
167
160
Эти механические свойства, характерные, особенно в сыром со-
стоянии, для стали аустенитного или аустенитно-ферритного строения,
имеют только общее значение при контроле качества отливки и при
оценке ее свойств. Важны механические свойства при высоких темпе-
ратурах
Для иллюстрации можно привести следующие гарантийные произ-
водственные показатели Отливки из стали 0,25—0,40% С; 23—28% Сг;
10—14% № и'>0,2 % N дают;
Отливки из хромоникелевой стали 695
1° службы
Допустимое напря-
жение при jo о оста-
точного )АЛННСИНЯ
зв 10000 ч*с.
Конструктивные
напряжения
760° 3,65 кг! мм* 1.2 клал*для 8 лет службы
1,35 . 4 >
1,65 • 2 . .
870’ 2.10 0,65 > 8 •
0.75 > 4 >
980°
2 .
0,90 »
0,35 .
0,40 .
0.50 ,
Показатели прочности этой стали выше, чем у стали другой марки.
В связи с этим сталь 25/12 получила особое применение для отливок
нефтяной и химической промышленности в условиях работы под срав-
нительно большими нагрузками при 750 и 975° Правильный выбор
состава и строения такой стали имеет большое значение для условий
службы именно при высоких температурах. Удовлетворительные свой-
ства аустенитно-феррнтной стали при нормальной температуре могут
оказаться плохими при высокой, так как феррит имеет значительно
худшую жаропрочность, чем аустенит (см. рис. 344).
Поэтому получение чисто аустенитного строения в стали 25/12
является одним из основных условий для качественной отливки. Его
12 3
Рис 481. Аустенкгно-ферритное строение литой стали 26/11
и уменьшение количества иепревращаемого феррита при повы-
шении содержания углерода. При этом увеличивается сопро-
тивление ползучести (1% удлинения в 10 000 час. при 98U0):-
1 — 0Д9«/. С. 3„ Я.« кл'ии*; » — 0.-11% С, ап >• в,8 «г(мм*;
3 — O.42*- С,Вд = 1Л> КГ/ВМ* 136
необходимо соблюдать значительно строже, чем в стали 18/8. В пос-
ледней двухфазное строение является, как указывалось, иногда полез-
ным. В стали же 25/12 оно допустимо только при работе отливки
в условиях нормальных температур; при высоких температурах—толь-
ко с малыми нагрузками (рис. 481).
Как видно из ряс. 481, уменьшение количества феррита в стали
26/11 привело к увеличению предела ползучести при такой высокой
температуре, как 980°, в четыре раза [184].
Точное получение аустенитной структуры отливок ия стали 25/12
сопряжено с известными трудностями. Как видно из диаграммы рис 480„
bWi Свойства стальных отливок и влияние на них Г остова стали
12% никеля является предельно минимальным его содержанием, необхо-
димым для получения аустенита при 25 % Сг. Уже небольшое изменение
состава и скорости затвердевания отливки может вызвать значительное
изменение структуры. Балансируя содержанием «аустенитизирующих»
элементов — углерода и никеля, и хрома, как элемента, вызывающего
образование феррита, можно по эмпирической формуле ^.16 С\ста-
навливать состав стали, обеспечивающий аустенитное строение.
Как указывалось (стр. 667), фактор пропорциональности в урав-
(Сг— 16 С) -
нении------------ должен быть меньше 1,7 для получения аусте-
Ni
пита в стали 25/12, содержащей до 1% Si и до 1% Мп при 0,15% N.
Из номограммы рис. 482, построенной по этому уравнению, видно,
что, например, сталь с 0,30°/о С и 24% Сг должна иметь минимум
11,3% Ni (линия /1). Если,
О.Ю
0,15
“'ojo
- -0.35
-13,0
27J}'
- -12fi
р Че
’ - 25.0
ы.о
33.0
11.0
10.0
Рис. 482. Номограмма для
имных содержаний ....................
и углерода в стали 25/12 с целью по-
лучения аустенитной структуры. Фак-
тор пропорциональности-----——- < 1.7
Ni
расчета вза-
хрома, никеля
в
с
I
I
I
при постоянном содержании
0,30% С повысить хром до
26%, то для получения аусте-
нита необходимо минимально
уже 12,5% Ni (линия В). При
26% Сг и 0,45% С нужно
11 % Ni (линия С). Влияние
различной скорости затверде-
вания разных отливок и свя-
занные с этим яаления лик-
вации, ведущие к образова-
нию отдельных кристаллитов
непревращаемого хромистого
феррита, учтены в факторе
пропорциональности. Эти яв-
ления также учитываются
тем, что нижний* предел в со-
держанки углерода принят в
0,25%, а верхний предел хро-
ма—27%.
При низком содержании
углерода, менее 0,1%. в ста-
ли 25/12, как и в 18/8. обра-
зуется много кристаллитов ие-
превращаемого феррита. Для огливок, работающих как кислотоупор-
ные при нормальных температурах, такое строение вполне допустимо,
если только в феррите не выделилась хрупкая a-фаза. В стали 25/12,
при длительном нагреве илн при медленном охлаждении с 500—700°,
с-фаза выделяется даже при аустенитном строении. Отливка стано-
вится хрупкой независимо от пластичности аустенита, рис. 483
Сетяа карбидов по границам зерен, понижающая пластичность
стали при нормальных температурах, получается при содержании угле-
рода выше 0,25% (см. табл. 95). Но для службы при высоких темпе-
ратурах повышенное содержание углерода, частично растворяющегося
в аустените, не только безвредно, но даже полезно, вызывая повыше-
ние предела ползучести (см. рис 481). Поэтому, при применении ста-
ли 25/12 в качестве кислотоупорной, верхний п репе л
содержания углерода следует ограничить 0,2о%. При
применении же ста™ 25/12 в качестве жаростойкой сле-
дует иметь 0,25—0,45% С.
Оглшмм из хрпмтникмеяой сими
697
Д.П5Г обеспечения yUlOBini получения аустенитного строения и по-
ношения стабильности аустенита в сталь 25/12 теперь сводят около
0,15% N. Влияние азота и всех других дополнитечьно легирующих эле-
ментов на свойства отливок из ста-
ли 25/12 вполне аналогично соот-
ветствующему влиянию в ста-
ли 18/8.
Азот расширяет область у,
повышает прочность в два-два с по-
ловиной раза сильнее углерода.
Кремний до 1% повышает жид-
котекучесть и жаростойкость, спо-
собствует образованию феррита
(при содержании до 1,5—2% Si
часто получающемуся путем восста-
новления при плавке на кислой фу-
теровке). Марганец расширяет
область т, влияя при данном со-
держании хрома в три раза менее
Интенсивно, чем никель. Молиб-
ден повышает сопротивление пол-
зучести и сопротивление коррозии.
Титан умельчает строение, ста-
билизирует карбиды и нитриды.
Рис. 463. Выделение з-фазы (свет-
лосерой, с трещинами) к комплекс-
ных карбидов (темносерые) в аусте-
нитной стали 0,28% С, 26,3% Сг,
12,2% Ni; 0,12% N (сталь стала
хрупкой, Ь = 3%). Х500
способствует образованию феррита.
Ниобий присаживается при по-
вышенном углероде, стабилизирует
карбиды, способствует образованию
феррита. Цирконий стабилизи-
рует нитриды, подобно тому, как
ниобий карбиды. Наличие феррита,
о-фазы, выделений карбидов и неметаллических включений резко вли-
яет на свойства аустенитной стали 25/12 при введении перечисленных
выше элементов. Для иллюстрации влияния этих включений на свой-
ства литой стали 25/12 -можно привести результаты следующего иссл®
дования.
Все отливки одной плавки, показавшие низкие механические свой-
ства из-за загрязнений включениями, были переплавлены в надлежа-
щих условиях. Испытание вновь залитых тех же отливок дало уже
удовлетворительные результаты (табл. 96).
Та в i в ца 96
Механические свойства при нормальной температуре после выдержки в течение
24 час. при 760° литой стали 26/12, загрязненной включенипми, Д-> и после пере-
плава 118-4)
698
Свойства стальных отлиеог. и влияние на них состава стали
Если в стали с 25% Сг повысить содержание никеля до 20*/в, то
получится уже более стабильная аустенитная сталь 25/20. Строение
и свойства отливок из нее определяются более широкими пределами
состава и более простыми условиями получения, чем нз стали 25/12.
Но сталь 25/20 требует значительно большего расхода никеля. Так как
сталь 25/20 обладает все же лучшей жаростойкостью и в особенности
более высокой жаропрочностью, чем 25/12, то она имеет весьма широ-
кое распространение. Применяется она преимущественно для жаро-
упорных отливок (до 1200°)
Обычный состав стали 25/20 лежит в пределах: 0,12—0.30% С;
0,6—1,5% Si; 0.4- -1,0% Мп; 23—27% Сг; 19—21% Ni; не более
0,05 % Р и 0,05% S.
Механические свойства аустенитной стали 25/20 зависят от содер-
жания углерода и термической обработки, находясь в пределах:
з„ 25—35 кг/мм2\ 50—70 кг/мм\ 25—40%; Ф 25^10%.
При нагреве стали 25/20 до 700—800° происходит выпадение кар-
бидов, как и в стали 18/8, соответствующее падение пластичности
н коррозионной стойкости (см. табл. 90). Таким образом, сталь 25/20.
являясь в большинстве случаев чисто аустенитной в сырой отливке
и при различных режимах термической обработки, все не имеет
стабильности строения в отношении карбидов.
Поэтому для кислотоупорных отливок, которые должны противо-
стоять интеркристаллитной коррозии и по своей конфигурации не мо-
гут подвергаться резкой закалке, следует применять не чисто аусте-
нитные стали, а двухфазные, ферритно-аустенитиые. Они будут обла-
дать меньшей пластичностью, но зато бблыпим пределом упругости.
Общая же антикоррозионная стойкость их, при надлежащем высоком
содержании хрома, будет вполне удовлетворительной, даже в сыром
литом состоянии [185].
В промышленности применяется много различных марок стати
этого ферритно-аустеиитиого класса. Но Для фасонных отливок следует
рекомендовать только две марки: 1) ствль 29/9 и 2) сталь 25/5.
Эти стали характеризуются следующим анализом: сталь 29/9: 0,20—
I 2 S
Рис. 484. Строение аустеинтво-ферритной стали с 28% Сг в литом
сыром состоянии в зависимости от содержания никеля и углерода-
1 — 0.SW. С: 6,584. 41; 38,И". Ст- 50*/» Т + 50*Л а + «арбиды 4®
• — 0,274. С: 11.44» KI; 38,24. От; 804. Т + Ж " + Мрбкды, *
0,894» С; 7Д14. №; 88,14. Or; 804. 1 + 20*/, а + эвтектические карбпды. X MQ
Отливки из хромоникелевой стали
699
Рис. 485. Типовое строение (темная оторочка вокруг зерен феррита)
стели 25/5 (0.08% С; 26,8% Сг и 4,9?/о Ni) в отливке толщиной 100 мм
в сырой состояния с карбидами и с-фазой (слева) и после охлаждения
на воздухе с 950° (справа). Феррит + аустенит. X 100
0,30% С; 0,75—1,15% Si; Ь^б—0,75% Мп; 28 30% Сг: 8—10% Ni,
0,05% Р; не более 0,0о% S, сталь 25/5- 0,10% С; 0,6—1,2% Si;
0,40—0,60% Мп, 25-27% Сг; 4—5% Ni; 0,05% Р; 0,05% S; 0,1% Ti-
Строение отливок из любой марки этой стали в значительной мере
зависит от скорости затвердевания. В стали 29/9 око, кроме того, силь-
но зависит от содержания углерода. С повышением содержания
углерода увеличивается количество аустенита в строении. Влияние уг-
лерода значительно интенсивнее никеля, что видно из данных автора,
представленных иа рис. 484
При содержании С«0,3% сталь 29/9 имеет ферритно-аустенитно
карбидное строение с неизменяемыми размерами кристаллитов аусте-
нита и феррита. При термической обработке возможно только частич-
ное растворение карбидов в аустените. Это строение определяет меха-
нические свойства отливок, мало изменяющиеся при термической
обработке, о, 30—40 и зЛ 70 кг/ммя при S* и ’!> 30%.
В стали 25/5 при С < 0,1 % подобрано такое соотношение между
хромом и никелем, что каждое зерно феррита, кристаллизующегося
вначале, окружено тонкой оболочкой аустенита [185], рис. 485.
Благодаря такой структуре сталь обладает более высоким преде-
лом упругости, чем аустенитная 18 8 и даже ферритно-аустенптная
29/9. При этом пластичность стали получается удовлетворительной
Таблица 97
Механические свойства литой стали 25/5 после охлаждения на воздухе с 975° [1851
Механические свойства
77 10,8 10.0 229 Не опр.
7ВД
Свойства стальных отлнвок и влияние на ма. Состава стали
после охлаждения на воздухе с 9715°, ликвидирующего выделение 3 -фа-
зы и карбидов (табл. 97).
Механические свойства отлнвок из стали 25/5 близки к таковым
из хромистой стали мартенситного класса (с 14% Сг). Сталь 25/5 мо-
жет также рассматриваться, как конструкционная, кнслотоупс^тая.
Ее коррозионная стойкость выше, чем у стали с 14% Сг, и несколько
лучше, чем даже у 18/8, в особенности в фосфорной кислоте, что
объясняется более высоким содержанием хрома. Двухфазная
структура предотвращает развитие интеркри-
ст ал л и т но й коррозии. Простота термической обработки, хоро-
шая обрабатываемость режущими инструментами, сравнительно пони-
женное содержание никеля—являются преимуществами стати 25/5
’В, 185].
Ее недостатком является низкое содержание углерода, требу!ощее
применения малоуглеродистого феррохрома и осложняющее выплавку.
Сталь также хрупка в сыром состоянии, что требует осторожности при
выбивке и очистке отлнвок. Эта хрупкость, связанная с выделением
о фазы и карбидов, в известной меие присуща и стали 2'9/9. Удовле-
творительная пластичность стали 29/9 и сыром состоянии получается
обычно только при быстром остывании отливок.
В сталь 29/9 и 25/5 часто вводят, кроме гитана для умельчения
строения, также молибден, 1—2%, повышающий коррозионную стой-
кость.
4. Свойства отливок из кислотоупорной и жаростойкой
ннкелехромистон стабильно-аустенитной стали 8/18
«Обратная» хромоникелевой стали 18/8 никелехромистая сталь 8/18
или 10/20 отличается чисто аустенитным, без феррита, строением, со-
храняющимся в отливках с различной толщиной стенок и при различ-
ных режимах термической обработки. Так как аустенитное строение
получается уже в сыром состоянии, то термической обработки и ие
требуется Содержание углерода обычно не превышает 0,20% при 6—
10% Сг, I/'—22% Ni. Лишь в массивных отливках, при верхнем пре-
деле в содержании углерода, возможны выделения карбидов, что тре-
бует иногда нагрева до 1050° для их растворения с последующей за-
качкой в воде или на воздухе, в зависимости от конфигурации отлив-
ки. При применении же этой стали для жаростойких отливок
допускается содержание углерода до 0,50% и в любых условиях ни-
какая термическая обработка не производится.
Механические свойства стали определяются ее аустенитным строе-
нием, характеризуясь показателями- —а, 20—-30 кг!мм3 и -ъ 45—
55 к^мм2 - 30—50% и л, 35—55 %.
Сталь 8/18 обладает хорошими антикоррозионными
свойствами. Исследование (1851 показало что при пони-
жении содержания углерода в стали 8/18 до 0,06—0,08% и введении
3,5—4,0% Мо; 4,0—4,5% Со и 0,15—0,25% Ti сталь приобретает вы-
сокую коррозионную стойкость в серной кислоте (до концентрации
50% при любой температуре) Ни одна из известных других статей
промышленной стойкостью в 50% H2SO4 не обладает. В H?SO< более
выеркой концентрации, когда начинает действовать уже окисляющий
анион SO Л даже эта ста ть быстро растворяется. Сталь 8/18 + 4Мо+
-*-40.1 обладает также хорошей стойкостью в HCI концентрации Ю
и 30% (другие стали в этой среде не устойчивы, за исключением вы-
сококремнистых сплавов) Сравнительная коррозионная стойкость ста-
лр 18/8, 8-18 и 25/5 в литом состоянии в наиболее агрессивных средах
представлена на рис. 486’.
• Из дипломной работы П. В. Манииа, см. стр. 76.
Отливки ив хрококиквЛВвеЛ стали
301
Низкое содержание углерода в стали 8/18 -|- 4Мо + 4Си не дает
сильно развиваться явлениям интеркристаллитной коррозии и позво
ляет эксплоатировать даже массивные кислотоупорные
отливки без всякой термической обработки. Уже в сы
ром состоянии сталь обладает типичным для аустенитного строения
Рис. 486. Потеря веса из-за корроз)® в наиболее агрессивных средах
кислотоупорной стали 18/8. 8/18 и 2S/S в литом термически обработан-
ном состоянии. Потеря в- весе стали 18/8 принята sa 100%
низким пределом упругости и высокой пластичностью. Навример, сталь
состава: 0,06% С; 1,10% Si; 0,58% Мп; 12,7% Сг; 17,6% Ni; 4.11%Мо;
4.50% Си; 0,30%. Ti дала:
а, 17,1 кг/мм-‘, с„ 40,4 кг, мм'. «5 42,4%; |<48,1ЯГ; йв 122; ал Ме-
наже 15,4 кгм(см2.
При быстром затвердевании стали и умельчении ее строения
в тонкостенной отливке возможно получить до 30 кг,(мм2 и 8в
До 65%.
Сплавы с высоким содержанием никеля и хрома — нихромы —
применяются только для жароупорных отливок, в частности, с высокой
жаропрочностью (влияние никеля). Данные о многочисленных соста-
вах нихромов, применяемых в практике, даны были на рис. 466. Такие
распространенные составы нихромов, как 65'—68% Ni и 15—19% Сг
или 59—62% Ni и 10—14% Сг. являются по существу нежелезиыми
сплавами. Рассмотрение свойств отливок из них здесь опускается.
Г. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ отливок
из хромоникелевой И НИКЕЛЕХРОМИСТОЙ СТАЛИ
В СВЯЗИ С ЕЕ ЛИТЕЙНЫМИ СВОЙСТВАМИ
1. Жидкотекучесть и кристаллизация стали, легированной
хромом и никелем
Все литейные свойства стали, легированной хромом и никелем,
определяются по существу особенностями влияния каждого из этих
элементов в отдельности. Если это влияние противоположно
(например, на жидкотекучесть), то в зависимости от взаимных содер-
жаний хрома и никеля может превалировать влияние ве-
дущего элемента. Если это влияние однозначно (например, на
размер зерна первичной кристаллизации), то оно взаимно усили-
вается.
Свойства стальных o¥Au60ic U ёлЬЯ/Сие на них состава стали
Хром и никель, хотя и увеличивают густоту стали, но все же
повышают практическую жидкотекучесть. Особенно
велико влияние высоких содержаний никеля, увеличивающего в проти-
воположность хрому также жидкотекучесть стали при постоянном
перегреве над ликвидусом. Автором совместно с П. В. Маниным была
исследована жидкотекучесть серии составов высоколегированной стали
с различным содержанием хрома, никеля, углерода, молибдена, крем-
ния и меди. Независимо от содержания углерода, практическая жид-
котекучесть стали 25/5, 18/8 и 8/18 значительно увеличивается по мере
понижения хрома и одновременно повышения никеля, т. е. последова-
тельно от стали 25/5 к 8/18, рис. 487.
Рис. 487. Влияние взаимных содержаний хрома и никеля
в стали 25'5, 18/8 и 8/18 на практическую жидкотекучесть
при различных температурах (по Пиропто без поправки)
и различном содержали углерода (0,06 и 0,18%)
Общая характеристика изменения жидкотекучести высоколегиро-
ванной хромом и никелем стали в зависимости от температуры в со-
i гава представлена на рнс 488.
Рис. 488. Жидкотекучесть высоколегированной хромом и никелем стали в за
висимостн от температуры ж состава. Сравнение с жидкотекучестью 6%-wofi
хромистой стали (температуры по Пиропто без поправки)
Отливки из хромоникелевой стали
703-
Из рисунка видно, что жидкотекучесть равномерно увеличиваете^
по мере повышения температуры только до известной критической ве-
личины. Дальнейшее повышение температуры малоэффективно (стр. 61).
Жидкотекучесть увеличивается не только по мере повышения содер-
жания никеля, но и углерода. Влияние углерода на увели-
чение жидкотекучести более эффективно, чем ни-
келя.
В этом влиянии углерода скрыто одно из основных противоречий
получения отливок из кислотоупорной стали здоровыми, но одновре-
менно с высокими антикоррозионными свойствами. Каждые несколько
сотых углерода значительно увеличивают жидкотекучесть, что спо-
собствует получению здоровой отливки. Но при этом понижается кор-
розионная стойкость и требуется более сложная термическая обработ-
ка. Очевидно, что выбираемое содержание углерода в кислотоупорной
стали в первую очередь определяется условиями службы отливок. Но
в зависимости от их конфигурации и условий заливки часто приходится
выбирать состав стали по возможности с более высоким
содержанием углерода. В этом случае соответствующим, из-
менением состава стали (повышением хрома, введением титана и т. п.)
нужно обеспечить требуемые антикоррозионные свойства. Такое варьи-
рование состава не всегда возможно. Нужно учитывать, что введение
титана, азота и других подобных по влиянию элементов понижает
жидкотекучесть (см. рис. 21), что в известной мере уменьшает выгод-
ность повышения углерода.
Молибден как сильно карбид образующий элемент также
уменьшает жидкотекучесть нержавеющей стали. Кремний же, как
отмечалось, значительно увеличивает жидкотекучесть, вследствие чего
его содержание в кислотоупорной и жаростойкой стали обычно около
1%. Как показали исследования Н. С. Крещановского [186], повышение
кремния до 2,0—2,5% еще более увеличивает жидкотекучесть, рис. 489.
Рис 489. Жидкотекучесть высоколегированной кислотоупорной стали 18/8 н жаро-
упорной 20/24. Влияние марганца, углерода и кремния на жидкотекучесть
(температуры ко Пиропто с поправкой)
Марганец повышает практическую жидкотекучесть при содер-
жаниях еще более низких, чем никель. Введение марганца весьма бла-
готворно алияет на жидкотекучесть высоколегированной хромом и ни-
келем стали, рис. 489.
Из рис. 489 также видно, что благотворное влияние марганца
и меди может компенсировать вредное влияние понижения углерода.
Жаростойкая сталь 20/24 имеет значительно лучшую жидкотеку-
честь, чем 18/8, как вследствие более высокого содержания никеля
п углерода, так и кремния. Выше известной критической температуры
жидкотекучесть жаростойкой стали так же, как и кислотоупорной, уве-
личивается сравнительно мало (см. рис. 489),
?04
Свойства стальных отливов и влияние на мих состава стали
Таким образом, установленное ранее положение о существовании
определенного оптимального интервала температур заливки для достть
жения определенной жидкотекучести выявляется разными исследова-
ниями и для стали, легированной хромом и никелем. Учитывая особую
чувствительность данной стали к росту первичных красталлнтов при
повышении температуры заливки, необходимо ее устанавливать не
основе правильной оценки практической жидкотекучести в зависимости
от состава.
Температуры ликвидуса сплавов с различным содержанием хрома
и никеля представлены на рис. 490
Как видно из этих данных, стали, содержащие хром н никель,
имеют сравнительно низкие температуры плавления Только благодаря
Никель,°/а
Рис 490. Темпериуры лжвидуса системы железо—крои—никель
этому возможно, несмотря на их худшую жидкотекучесть, чем углеро-
дистой стали, производить заливку тонкостенных изделий. При ртом,
вследствие густоты стали, приходится давать значительный перегрев,
несмотря па удовлетворительную заполняемость формы. Также повы-
шена должна быть и скорость з нгео-т^е ни я формы
Сочетание высокой температуры заливки с большой ее. скоростью
для стали, склонной к крупной кристаллизации, чрезвычайно неблаго-
приятно для получения здоровой отливки. Оно влияет на развитие уса-
дочных раковин, ликвации, образование третий и напряжений: Но на
обеспечение заполняемости формы с получением гладкой поверхности
отливки, без заворотов пленки, с облегченными условиями вепчывания
газовых и неметаллических включений, высокая температура и сму-
рость заливки влияют более сильно. Это положение, доказанное рабо-
тами И. Т. Тевосяна [187] для слитков из никелехромнетой стали,
распространяется на производство фасонных отливок.
Несмотря на условность обобщения данных зАмерй температуржид-
кон стали оптическим пирометром, все же нужно отметить, что в Практи-
ке приняты температуры заливки из конструкционной никелехромнетой
стали не ниже 1390—1400° а для высоколегиро-вайтюй 1410—1430° пл
Пироти без поправки Для жаростойкой стали с повышенным содер-
жанием углерода эти температуры более низки. Известное представле-
ние о требуемых максимальных температурах заливки дают приведен-
ные исследования жидкотекучести. На их основе можно в виде первого
приближения установить те температуры, при которых сталь различ-
ного состава способна заполнить спираль длиной 300 мм, dijc. 49J.
Отливки из хромоникелевой стали
И»
Ранее отмечалось влияние высокой температуры заливки на укруп-
нение строения отливки ИЗ стали 25/5 (рис. 42) и на понижение меха-
нических свойств стали 18/8 (рис. 51) Отмечалась также особая чув-
ствительность стали
из-за одновременно-
го влияния хрома и
никеля к росту зер-
на при увеличении
толщины стенок от-
ливки (рис. 36-6 и
36-г) и даже при
местном разогреве у
подвода -металла
(рис. 48). Необхо-
димо также отме-
тить, что в отливках
из кислотоупорной
стали крупное зер-
но чрезвычайно рез-
ко увеличивает раз-
витие межкристад-
1
I
Н75
UZS
2S/S-О, 0i ЪС
y*r2S/S-0.f2%C
Bic^^/e0J№y‘c
\^/3/Вв.1В/.С
1В/в-о#%-г.5$^8/№-аоб%м*&
Состав стали 20/20 - ЦВМ*
Рис. 491. * Практическая жидкотекучесть вы-
соколегированной стали с различным содер-
жанием хрома и никеля, определенная по той
температуре зклкжси. которая требуется для за-
полнения спирали Л = 300 мм (на основе данных
Г рис. 48в, 439)
литной коррозии.
Борьба с крупнозернистым строением при пер-
вичной кристаллизации является основной целью
при получении отливок из стали, легированной хро-
мом и никелем Она усложнена высоким перегревом и большой
скоростью заливки. Мероприятия по модификации металла силикокаль-
цием, алюминием, титаном д ванадием для конструкционной стали;
титаном, ниобием, цирконием и азотом для высоколегированной ста-
ли — уже рассматривалнСь/'^При заполнении формы устанавливается
верхний предел температуры; задивкк только для предотвращения за-
ворота пленки, так *ак превышение критической температуры мало
повышает жидкотекучесть. Необходимо также стремиться всемерно
ускорить затвердевание стали ж не допустить боль-
ших местных перегревов.
Радикальным мероприятием является применение центробежной
заливки, а для большинства отчивок, заливаемых в стационарные фор-
мы, — кокильной заливки. Так как эту заливку можно производить
только в определенных условиях, то следует широко применять систе-
му наружных холодильников, а для отливок из конструкционной ста-
ли— тонких внутренних ХОЛОДИЛЬНИКОВ.
В массивных отливках нз никелехромистой стали внутренние холо-
дильники: не только умельчают строение, но в некоторых случаях по-
зволяют уменьшить количество прибылей на необрабатываемых поверх-
ностях. Подобный случай приводит С. Я. Кармазин [188], описывая из-
готоаление бойков 6-т молота на заводе «Электросталь» из стали
с 3,0—4,0% Ni и 1,2— 1,5% Сг (рис 492).
В данном случае, при учете только соотношения сечений — нару-
шен принцип управляемого, направленного в сторону прибыли затвер-
девания. Но большое количество холодильников, верхнее заполнение
прибыли после сифонного подъема металла в отливке, доливка прибы-
ли, засыпка прибыли термитом — да ти возможность получить изделие
без усадочной раковины. Такое положение прибыли ликвидировав ме-
ханическую обработку ласточкина хвоста бойка и его горизонтальной
поверхности. Недостатком яаляется неполное расплавление внутренних
холодильников; Для ковочных штампов, впервые изготовляемых литы-
45 Зак. И- Ю. А. Нехендзи
706-
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
ЧОО----
Ц/алеотчый
•tuflnuv
Рис. 492. Метод отливки бойка весом 2,8 т из внкелехромиетой
стали с простановкой большого количества внутренних холо-
дильников
ми, автор совместно с Ф. И. Котомнным применил на Кировском заводе
особый метод заливки, рис. 493».
Рве. 493. Метод отливки штампа из
•жкелехромистоа стали в кокильную
форму
1 См. Бюллетень технической информации ЦНИИ НКТП. 1946.
Отливкиui хромоникелевой стали 707
„ Для умельчення строения стали с 2,5—3,0% Ni и 1,5% Сг в рабо-
чей части штампа принята кокильная форма. Для уменьшения же при-
пусков на механическую обработку прибыль поставлена на зуб штам-
па, входящий в ласточкин хвост бойка. По прямому соотношению
сечений также не выдержан, казалось бы, принцип направленного за-
твердевания, но, благодари различному соотношению скорости затвер-
девания -в песчаной и металлической форме (3:1, стр. 40) обеспечи-
вается получение отливки без раковины и с удовлетворительным строе-
нием. Известны также многочисленные примеры применения кокить-
ных форм для изготовления отливок более сложной конфигурации
и еще более ответственного назначения из стали комплексного состава
с ведущими элементами хромом и никелем. И. П. Поздышев с со-
трудниками [189] получил мелкозернистое строение при центробежной
заливке в кокиль труб даже из ствли 18/8. При этом кокиль подвер-
гается обычно нагреву до 500°, так как иначе, вследствие чрезмерно
быстрого остывания, в отливках образуются продольные горячие тре-
щины.
Необходимо также подчеркнуть, что в отливках из конструкцион-
ной никелехромистой стали получение мелкозернистого строения толь-
ко за счет низкой температуры заливки ведет иногда к понижению
механических свойств При холодной заливке в отливках из такой ста-
ли легко застревают газовые и неметаллические включения. Они пони-
жают способность к межкристаллитной деформации. Из-за этого
особо резко падают показатели пластичности и ударной вязкости.
Подобное влияние горячей и холодной разливки на свойства отли-
вок из стали с 0,35% С, 3,20% Ni и 0,7% Сг может быть иллюстриро-
вано следующим иссзедованием-
Залнвка
Термическая
обработка
кг]мл&
KZj МЛА
кгм/слА
(Ш 1рпн)
Горячая .
Холодная
Горячая .
Холодная
900п
900п
1000 в + 820м
+600 в
1000 в 4-820 м
4- 600 в
75,5
85,0
15,0 38,1 5,7
5.0 4,5 2,0
12,5 36,0 9,5
12,0 28,5 8,3
Таким образом, вредное алияние застревающих включений может
превалировать над благотворным влиянием более мелкого строения
первичной кристаллизации. В практике известно, что ярко выраженное
дендритное строение конструкционной никелехромистой стали способно
обеспечить высокие показатели механических свойств, особенно после
диффузионного отжига. Оно часто более желательно, чем глобулярное.,
полученное в результате холодной заливки. Это положение является
одним из обоснований отмеченной выше необходимости заливать сталь,
легированную хромом н никелем, при сравнительно большом перегреве.
Изготовление отливок из стали с хромом и никелем отличается
еще одной важной особенностью. Чтобы не создавать местных разо-
гревов, как очагов крупной кристаллизации и горячих трещин, металл
необходимо подавать рассредоточение, через многие питатели. Кроме
того, для того, чтобы пленку окислов, характерную для хром содержа-
щей стали, вынести неразрушенной, без заворота, в прибыль, — необ-
ходимо применять сифонный подвод металла.
45*
708
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
На рис. 98 был приведен пример заливки гребного винта из угле-
родистой стали. Для равномерного заполнения формы и усиления эф-
фективности действия прибыли заливка производилась сверху, двумя
питателями, с внутренним холодильником «корзиной», вокруг центро-
вого стержня. Для отливки подобного винта из нержавеющей стали
Рис 494. Метод отливки крупного
гребною винта (диаметром около
3,5 Л, весом 5 г) из стали 18 8
(свойства см. стр. 688), отличающий-
ся от способа заливки винта из уг-
леродистой стали рис 98 рассредо-
точенным подводой металла
такой метод заливки не применим.
Внутренние холодильники не приме-
няются. Подвод металла должен
быть рассредоточен и сохранена
равномерность заполнения формы.
Скорость заполнения должна быть
увеличена в полтора-два раза. Для
обеспечения всех этих условий был
применен метод заливки, рис.
494 [8|.
Металл большой струей попа-
дает в чашу, откуда через два сто-
яка распределяется по многочис-
ленным питателям, прирезанным в
тонкую кромку каждой лопасти
Форма заполняется сифоном очень
быстро. В отличие от метода за-
ливки вннта, рис. 98, этот способ
осуществляет приближение к прин-
ципу одновременно! о затвердевания
отливки. Подобным же методом за-
тита крупная отливка фильтроваль-
ного барабана из стали 18 8,
(рис. 495).
Для равномерного и быстрого
заполнения отливки сифоном сде-
лан кольцевой литниковый ход с 12
питателями. Отливка имеет верхние
и нижние потайные прибыли, осу-
ществляющие направленное затвер-
девание в два 'Потока. Для облегче-
ния всплывания включений и уда-
Рис. 495. Метод отливки крупного фильтровального барабана для химической про-
мышленности (вес 1,5 т, диаметр 1420 ж*) из стали 18/8 с равномерным подводом
металла и потайными прибылями
Отливки из хромоникелевой стали
709
ления газов, что необходимо особо тщательно обеспечивать в отливках
из высоколегированной хромоникелевой стали, имеются многочис пен-
ные выпоры на поверхностях, не соединенных с прибылями.
В высоких н тонкостенных отливках для равно-
мерного заполнения и предохранения от заворота
устраивать литниковую систему этажную или через
сплошное ребро, рнс. 496 [190].
Для более плавного заполнения формы, что
также важно для предотвращения разрушения
пленки, установлен второй стояк — литниковый
ход, и питатели прирезаны тангенциально.
Как известно, в отливках из стали, легирован
ной хромом и никелем, вследствие возможного по-
вышенного содержания водорода и большой дина-
мической вязкости, густоты стали, особенно легко
образуются газовые и неметаллические включения
В отливках нз конструкционной стали это является
одной из причин образования раковистого излома
н флокенов. Отливки же из высоколегированном
стали из-за этого особенно часто бывают пораже-
ны разными раковинами. Тщательно разработан-
ный и аккуратно выполненный метод равномерного
подвода металла точно в щель между стенками
формы и стержнем; плотная, равномерная набивка
формы; обильная ее вентиляция; чистая сборка—*
являются необходимыми условиями получения здо-
ровой отливки без включений.
Отливки из высоколегированной хромом и ни-
келем стали должны заливаться с большой весовой
скоростью. Линейная скорость также должна
быть сравнительно высокой- Но заполнение
формы должно итти равномерно и плавно.
В связи с этим заливку следует вести из ковшей
через носок. На опоке нужно иметь большую лит-
никовую чашу (см. рис 494). Заливка через носок
необходима для уменьшения металлостатического
пленки необходимо
Разрез по ДВ
Рис 496. Ме-
тод заливам от-
жигательного
котла с равно
мерной пода-
чей мета зла
через .тажггую
литниковую си-
стему и допол-
ните зы1ый вер-
тикальный лит-
никовый ход
напора и предохранения стенок формы от размывания при большой
скорости заполнения формы.
2. Усадка стали, легированной хромом и никелем, и связанные
с ней явления в отливках
Используя приведенные выше данные о влиянии хрома и никеля
на усадку стали, на понижение ее теплопроводности и на необходи-
мость высокого перегрева при разливке, можно установить, что в со-
ответствующих отливках будут развиваться большие усадочные
раковины. Следовательно, при высокой скорости заполнения форм
необходима установка прибылей на отливках из хромоникелевой стали
больших размеров, чем при равных условиях из углеродистой
стали.
Для борьбы с усадочными раковинами необходимо также приме-
нять ряд мероприятий при разливке (разогрев прибылей, их доливка
и т. д.). Особое внимание для борьбы с местными усадочными рако-
винами нужно уделить правильной конструкции отливки (ликандацни
термических узлов, правильному соотношению размеров сечений я др.).
Линейная усадка отливок зависит от их строения, определяемого
в первую очередь взаимным содержанием углерода, хрома и никеля.
710
Свойства стальных отливок и влияние ни них состава стали
В отливках из конструкционной стали усадка практически
не отличается от усадки обычной углеродистой стали В отливках из
ф е р р и т н о-a устенитиой стали усадка, при прочих равных
условиях, будет меньше, чем из углеродистой стали. Как и в отливках
из высокохромистой стали, свободная линейная усадка достигает 1,6—
1,8%. В отливках же из аустенитной стали усадка выше.
Как и в отливках из высокомарганцовой стали, она достигает 2,5—
2,85%. Кривая усадка стали 18 8, не имеющая участков до и после
перлитной усадки, была приведена на рис. 58.
В отливках из конструкционной стали с хромом и нике-
лем легко образуются горячие трещины, особенно внутрен-
ние (массивные отливки, крупное строение прн первичной кристалли-
зации, малая теплопроводность). В них также возникают большие на-
пряжения, термические и фазовые, и легко образуются холодные
трещины (низкая пластичность).
В отливках из высоколегированной стали четко
образуются не только внутренние, но и наружные горячие
трещины. В этом отношении особо неблагоприятна аустенитная сталь
18/8 и 25/20, имеющая большую усадку, интенсивно развивающуюся
непосредственно после затвердевания (рис. 58). Прочность же и пла-
стичность даже аустенитной стали очень низки при этих температурах,
рис. 497 189].
Форма и стержни для этих отливок должны обладать большой по-
датливостью. Отливки приходится часто выбивать из формы непосред-
Рис. 497. Малые прочность и пластичность вы-
соколегированной хромоникелевой стали при
высоких температурах во время остывании
в форме
благоприятных условиях остывания в отливках получается преимуще-
ственно искажение размеров, а не холодные трещины.
В отливках же с содержанием хрома выше 20%, в особенности
ферритно-аустенитного строения, очень легко образуются холодные
трещины не только при остывании, но и при выбивке и очистне. В та-
кой стали высока «475°-ная хрупкость» и хрупкость из-за выделения
з-фазы. Отливки требуют чрезвычайно бережного обращения.
Если отливки из конструкционной стали для борьбы с холодными
трещинами приходится подвергать очень медленному остыванию,
вплоть до переноса их в предзарительно разогретую печь, то отливки
ферритно-аустенитной структуры нужно охлаждать быстро. При этом
уменьшаются выделения °-фазы, но возрастают напряжения. Опти-
мальный режим остывания приходится устанавливать в зависимости от
Местных условий. Во всяком случае на конструкцию этих отливок,
Отливки из хромоникелевой стали
обеспечивающую минимальные напряжения даже при быстром остыва-
нии, необходимо обращать особое внимание.
Все операции по очистке отливок из конструкционной стали, осо-
бенно «самозакаливающейся» и с повышенным содержанием углерода,
необходимо проводить только после смягчающего отжига. Сфероидизи-
рующий отжиг ведется при 850—870° длительностью 1 час на 15—
25 мм максимальной толщины отливки. Смягчающий отпуск при 650—
680° длительностью обычно 6—10 час. Огиерезка литнииов в этих от-
ливках допустима. Отрезку же массивных прибылей целесообразно
вести на станках, совмещая с грубой механической обработкой. Для
этого смягчающий отпуск или отжиг отливок нужно вести иа твердость
200—225 Нв.
Следует также отметить, что очистка от окалины отливок из кис-
лотоупорной стали проводится обычно в специальных баках, в растворе
6,5 частей каменной соли в 10% температуры около 60°С или
пескоструйной обдувкой с последующей обработкой в 20%-иой HNO
ГЛАВА XX
ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ ИЗ МОЛИБДЕНОВОЙ, ВАНАДИЕВОЙ,
ВОЛЬФРАМОВОЙ, ТИТАНИСТОЙ И МЕДИСТОЙ СТАЛИ
Отливки из стали, легированной молибденом, ванадием, вольфра-
мом и титаном, как сильными карбиДобразуюшими элементами, имеют
ряд общих свойств Кроме того для отливок применяются стали ком-
бинированно легированные этими элементами. При известной их кон-
центрации свойства отливок иногда определяются процессами диспер-
сионного твердения. Применение же медистой стали для отливок осно-
вано преимущественно на процессах дисперсионного твердения. Ввиду
относительно ограниченного применения этих марок стали рассмотре-
ние соответствующих свойств отливок объединяется.
А. ОТЛИВКИ ИЗ МОЛИБДЕНОВОЙ СТАЛИ
I. Свойства отлнвок нз молибденовой стали
Ранее уже отмечалось благотворное влияние молиб-
дена на повышение прокаливаемости, предела текучести и отношения
3*/3в. а также на улучшение обрабатываемости отлнвок. Это влия-
ние не определяет еще применения чисто молибденовой стали для
отливок. Стоимость молибдена высока, хотя его требуется небольшое
количество для легирования стали. Указанные свойства могут быть
достигнуты легированием более дешевым элементом. Но главным фак-
тором влияния молибдена, определяющим его применение как неза-
менимого (кроме вольфрама) элемента в конструкционной стали,
является понижение чувствительности стали к хруп-
кости отпуска и повышение сопротивления ползу-
чести.
Влияние молибдена на повышение сопротивления ползучести со-
храняется в чисто молибденовой стали. Эта сталь применяет-
ся для отливок турбо- и котлостроення.
На рис. 347 приводились данные о высоком сопротивлении ползу-
чести молибденовой стали и отмечалось большое значение крупного
размера зерна и его остроугольной формы.
Достаточно иметь 0,2—0,4% Мо для того, чтобы по сравнению
с углеродистой сталью резко повысить сопротивление ползучести.
Однако молибденовая сталь обладает этим преимуществом в ярко
выраженной форме лишь при температуре выше 400°. До этой
температуры даже обычные показатели прочности ( ол и ) у мо-
либденовой стали незначительно превышают соответствующие пока-
затели у других марок низколегированной стали (в частности вана-
диевой и медистой, рис. 498).
Поэтому легирование стали молибденом совершенно обязательно
для всех отливок, работающих под нагрузкой при температурах выше
350—400°. Необходимо учесть, что при температурах вблизи эквикоэ-
знойной, около 500—520°, сопротивление ползучести литой молибде-
норрй стали резко падает, рис. 499.
713
Отливка из молибденовой стали
и иовышеииыл «сиицкиурол j -------
сравнению с углеродистой сталью, а также с кремнистой, меди-
стой, хромомолибденовой и ванадиевой сталью (диаграмма со-
ставлена на основе данных различных исследований)
Из данных рнс. 499 (исследование
образцов, вырезанных из турбинной от-
ливки) видно, что в интервале 480—520й
чрезвычайно резко влияет повышение
рабочей температуры на каждые
5—10° При температуре выше 520—
540° сопротивление ползучести у ста-
ли с 0,3—0,5% Мо уже настолько
мало, что изготовление сравнительно
тонкостенных отливок с неизменяемыми
точными размерами при очень длитель-
ной эксплоатацни (цилиндры турбин и
т. п.) является «ока неразрешимой проб-
лемой.
Из-за этого современное паро- и га-
зотурбостроение испытывает большие
трудности в применении пара и газа вы-
сокого давления и температуры. Иссле-
дуются стали с более высоким содержа-
нием молибдена, до 0,8—1,0%. Лишь
аустенитная хромоникелевая сталь обла-
Рнс. 499. Сопротивление пол-
зучести литой мо тнбденовой
стали с 0.3% С и 0,5% Мо
отливке цвлиндря турбин
в вависимостн от температуры
в интервале 470—510° при
0.1% остаточного удлинения
за 100000 чве.
m
Свойства стальных отливок и влияние яи них состава стали
дзет высоким пределом ползучести при этих температурах Но при
длительной работе прн данной температуре в стали 18'8 выделяются
карбиды, а в стали 25/12 a-фаза Поэтому сталь 25/12 применяется
как материал с большим сопротивлением ползучести преимущественно
при еще более высоких температурах.
При нормальных температурах молибденовая сталь обладает хоро-
шими механическими свойствами даже после нормализации. Закалка
с отпуском иа сорбит еще более повышает эти свойства. Поэтому в не-
которых случаях молибденозую сталь применяют в качестве конструк-
ционного материала. Это бывает целесообразно при наличии стального
лома, содержащего молибден (не дает угара при переплаве), или прн
введении в яроцессе плавки вместо дорогого ферромолибдена более
дешевого молибдата кальция СаО МоОя. Молибден при этом легко
восстанавливается. Преимущество введения молибдата кальция осо-
бенно важно при производстве низкоутлеродистой нержавеющей ста-
ли. Как указывалось, некоторые из марок этой стали содержат 1—2
п до 4% Мо, вводимого для повышения коррозионной стойкости.
Содержание иерода в молибденовой стали
не отличается от обычного в среднеу глероди стой
(0,2—0,4%). Содержание молибдена составляет 0,2—-0,4, 0,6% и даже
1,0% в зависимости от температурных условий службы отливки или
толщины ее стенок. При 0,2—0.4% Мо строение не отличается от обыч
ного. В соответствующих условиях остывания отливки получается
видманштеттовая структура. При содержании же около 0.6% Мо,
вследствие образования специальных карбидов и заметного понижения
критической скорости закалки, видманштеттовая структура в сыром
состоянии по данным автора уже исчезает.
При отжиге и особенно прн нормализации строение стали с 0,2—0.4
и с 0,6% Мо резко умельчается Доспи астся и. 30—40 кг мм- при
Рис. 500. Очень медленная сфероидизация карбидов в ли-
гой иолибденоюй стали прн деятельной выдержке (с зе-
ва)—72 часа при 700° X 300. (спреев) — 3000 час. при
590° X 1000
.у 35—50% и аА5—бкгл/сл2. Получаемое строение отличается чрезвы-
чайной устойчивостью. Сфероидизация карбидов прн повышенных тем-
пературах протекает очень медленно, рис. 500.
При применении молибденовой стали в качестве конструкционного
материала стараются обычно использовать влияние молибдена на по-
вышение прокалнваемости с целью замены резкой закалки сложных
отливок простой нормализацией. С этой точки зрения, сочетаемой
с возможным дальнейшим повышением механических свойств, особенно
ударной вязкости и сопротивления усталости, вводят около 0,1% ва-
надия.
Отливка из ипзибденовлО стам!
715
Молибденованаднев'ая сталь с 0,20—0,25е и С, 0,5ои 0 Мл
и OJVo V, отличающаяся сравнительно мелкозернистым строением при
первичной кристаллизации и отсутствием видманштеттовой структуры
в сыром состоянии, обладает после двойной нормализации с отпуском
900 в + 850 в Ь 680 п высокими свойствами. Она дает в пробной план-
ке оЛ. и до 40 и 50 кг'мм* 2 при и ф 25 и 60п 0. При этом пре-
дел уствлости достигает 27 кг мм2.
Мелкозернистое и равномерное строение при первичной кристалли-
зации, хорошая проквливаемость в сочетании с высокой пластичностью
и ударной вязкостью определили применение молибденованадпевоп
стали для центробежно звливаемых стволов орудий (табл, 98).
Таблица *8
Механические свойств» центробежно залитых орудийных стволов из мояибдеиомм-
диеиой стали после отжига, закалки и отпуска при 700 72(Р [34]
Дополнительное легирование молибденовой стали ванадием весьма
существенно повышает ее свойства как конструкционного материала.
2. Особенности изготовления отливок из молибденовой
стали в связи с ее литейными свойствами
Так как для отливок применяются только низколегированные мо-
шб тоновые стали с содержанием молиб-
дена до 1,0%, то практически особых
мероприятий при их изготовлении не
проводится 1. Вместе с тем необходимо
отметить несколько пониженную жидко
текучесть молибденовой стали. Небла-
гоприятное влияние молибдена на жид-
котекучее гь, установленное для кислото-
упорной стали |8): имеет место и в
чисто молибденовой стали. Но молибде-
новая сталь не обладает такой густотой
и не имеет пленки окислов, характерной
для хромистой стали. Жидкотекучесть
молибденоаой стали (до 0,6 % Мо) по
данным М. Т. Андреева [1911 несколько
лучше, чем конструкционной хромистой
стали (0,7—0.9% Сг) (рис. 501).
В связи с пониженной жидкотеку-
честью молибденовой стали следует
увеличивать скорость заполнена форм.
В практике известны факты, когда уско-
рение заливки корпуса с 54 до 40 сек.
Рис. 501. Жидкотекучесть
молибденовой (до 0-6% Мо)
и хромистой (0.7—0,8% Сг)
стали, определенная ио
спирали (средние значе-
ния из 25 определений)
1 Высоколегированные весьма теплостойкие, применяемые для отливок деталей
газовых турбин, сплавы с 6% Мо. ка базе 20—25*; Сг и 65—70% Со в курсе
не рассматривались. Эти вежелезные сплавы требуют особых условий ялткн
в связи со своими литейными свойствами.
716
Свойства стальных оглимк и влияние на ник состава стали
увеличением диаметра стаканчика ковша с 25 до 32 мм вызывало
уменьшение брака по включениям и течи при гидравлическом йены
танми.
Так как отливки нз молибденовой стали, работающие при повы
шейных температурах, подвергаются еще обычно давлению внутренней
среды (пара или газов), то на плотность их должно обращаться осо-
бое внимание. Прибыли нужно ставить увеличенных размеров, избегать
усадочной рыхлости и местных усадочных раковин (см. метод установ-
ки прибыли на цилиндре турбины, рнс. 4, 259) При этих мероприятиях,
которые нужно проводить и для отливок из углеродистой стати, рабо-
тающих под давлением, - - влияние несколько повышенной скорости за-
полнения форм молибденовой сталью не имеет практического значения.
Усадка молибденовой стали не отличается заметно от усадки усче-
родистой (рнс. 182). Систематические исследования о влиянии молиб
дена иа уменьшение горячих трещин в отливках, насколько известно,
еще не проводились. Но в
практике распространено
мнение о благотворном вли-
янии молибдена. Возможно,
что эти наблюдения объяс-
няются образованием суль-
фидов молибдена, уменьша-
ющих красноломкость ста-
ли, а также некоторым по-
вышением прочности молиб-
деновой стали (с 0,3% Мо)
в температурном интерва ле
рбразования горячих тре-
щин, рис. 502 [89].
Сталь с 1 % Мо уже не
только не имеет этого по-
вышения прочности, но от-
личается низкой пластично-
Рис. 502. Прочность в пластичность молиб-
деновой стали в критическом интервале тем-
ператур образования горячих трещин при
остывании в форме
стью в критическом интер-
вале. О напряжениях и холодных трещинах в отливках из молибдено-
вой стали можно получить представление из рассмотренных на стр. 372
свойств мартаицемолибденовой стали В отливках из молибденовой
стали разницы по сравнению с углеродистой не наблюдается.
Б. ОТЛИВКИ ИЗ ВАНАДИЕВОЙ СТАЛИ
1. Свойства отливок нз ванадиевой стали
Как отмечалось, отливки из любой легированной стали с дополни-
тельным введением ванадия отличаются более мелкозернистым
строением при первичной кристаллизации. Особо эффективно влияние
ванадия на равномерность строения при вторичной кристаллизации, на
уменьшение неоднородности из-за дендритной ликвации и, в частности,
на ликвидацию видманштеттовой структуры (рис 434). Это влияние
можно объяснить тем, что ванадий, как сильный карбндобразуюший
элемент, соединяясь с углеродом в специвльные карбиды ванадия, пре-
пятствует выделению феррита по кристаллографическим осям аустенит-
ного зерна. Такое благотворное влияние ванадия на строение отливкн
в сыром состоянии сохраняется по данным автора и в чисто ванадиевой
стали, рис. 503.
При этом, в отличие от влияния молибдена, микростроение вана-
диевой стали получается в сыром состоянии отливки таким, как будто
она подвергалась отжигу. Механические свойства этой стали (0,29% С,
Отлилки из ванадиевой стали
Рис. 503. Влияние ванадио в чисто ванадиевой стали ив таквидацию видимштвт-
товой структуры от.тиоки в сыром состояли (дням- 30 мм в песчаной форие);
а — углерочлгтм сталь <0.W« С; ОЛМ*'. Г и O.OW/. S); С - - ваяадиевал стать (0Д7*/« С;
а №•/ Р; UftIV't у ч 0,104» V>; в — валвдвсная сталь С; 0,021', Р; 0,0ЫЧ< К
и 0,4Л. V). ХЖ
0,42% V) в сыром состоянии оказались очень высокими по прочности (a t
50 и ай 76 кг мм2), сравнительно удовлетворительными по пластич-
ности (85-20 и !» 11% , но все же низкими по ударной вязкости (о*
по Менаже 0,7 кгм/сма).
Поэтому в некоторых случаях изготовления очень сложных тонко-
стенных отлцвок, легко деформирующихся даже при простом отжиге»
можно их пустить в эксплоатацпю сырыми. Но это допустимо, как
и для отливок из углеродистой стали с «критической толщиной* стенок
только при самых элементарных требованиях к механическим
свойствам. Такие оливки, как цсчьнолнтые паровозные рамы, прихо-
дится отжигать или нормализовать, так как они подвержены значитель-
ным ударам. Возможность упрощения термической обработки из-за
благоприятного строения, получения при этом высокого отношения °*
высокой ударной вязкости и хорошего предела усталости определяют
применение ванадиевой стали для тонкостенных отливок
сложной конфигурации (паровозостроения, горного и тяжело-
го машиностроения).
Механические свойства ванадиевой стали 0,24% С и 0,60е/» V при
различной термической обработке в отливках с толщиной стенок до
400 мм были представлены на рнс. 468—471. Предел текучести начи-
нает резко падать при толщине стенок выше 50 мм.
Механические свойства ванадиевой стали при повышенных темпе-
ратурах не отличаются высокими показателями (см. рис. 498). Однако
ударная вязкость при низких температурах, вследствие влияния
ванадия на равномерность и мелкозернистость строения, на раскисле-
ние и успокоение стали,— отличается хорошими показателями Так,
например, ствль даже с сравнительно высоким содержанием углерода
(0,38' v С; 0,20% V) после двойной нормализации с отпуском (980 в +
-Ь 900 в + 540 в) дала ударную вязкость (По Шарли) при:
4-20° -5» -25° —45° -60е С
7,3 5,9 5.3 4.75 4.5 клм/см*
71Г
Свойства стальных итливок и влияние на них состава стали
Это свойство отливок из ванадиевой стали имеет известное значе-
ние для их применения в паровозостроении и разных машинах, рабо-
тающих в северных районах. Для работы в этих условиях отливкн
нельзя пускать в эксптоатацмю в сыром состоянии. Их необходимо
подвергать для максимальной равномерности строения двойной норма-
лизации с отпуском илн. что еще лучше, нормализации с отпуском
после диффузионного отжига.
2. Особенности изготовлении отливок из ванадиевой стали
в связи с ее литейными свойствами
Из1 отселение отливок из ванадиевой стали практически
не отличается от условий изготовления таких же отливок из
обычной, углеродистой или из молибденовой стали. Ванадий совершен
ио идентично молибдену понижает жидкотекучесть стали, рис 504 [3J.
Усадка ванадиевой стали при свободном или затрудненном ее про-
текании совершенно не отличается от усадки стали с таким же содер-
жанием углерода, рис. 50о |3]_
В сложнолегированной стаж содержащей ванадий, усадка опреде
ляется ведущим элементом (например, марганцем в марганцеванадие-
вой стали, рис. 505) 189].
Несмотря на улучшение строения, прочность и пластичность вана-
диевой стати при температурах образования горячих трещин -малоотли-
чается от соответствующих показателей другой стали с таким же со-
1ержанием углерода, рис. 506.
Таким образом, по борьбе с горячими и холодными трещинами
отливки из ванадиевой стали не требуют каких-либо специальных
мероприятий: следует применять обычные меры, как и для углероди-
стой стали, не рассчитывая на лучшие свойства 'ванадиевой стали.
В. ОТЛИВКИ ИЗ ВОЛЬФРАМОВОЙ СТАЛИ
I. Свойства отливок из вольфрамовой стали
ОТливйи из стали, легированной вольфрамом в качестве веду -
щего элемента, имеют применение преимущественно в виде литого
инструмента. Производство литого инструмента имеет большое
технико-экономическое значение, так как чрезвычайно упрощает произ-
водство (ликвидирует операции отливки слитков, их отжига, обдирки,
ковки заготовки, ее отжига н т. д_). Кроме того, изготовление инстру-
мента путем отливки позволяет свести к минимуму механическую обра-
ботку, упростить и даже вовсе ликвидировать термическую обработку,
уменьшить расход ферросплавов.
Литой инструмент из сверхтвердых сплавов типа стеллита и дру-
гих на базе твердых карбидов вольфрама, молибдена, ванадия, тантала
и др. содержит железа не более 5%. Отечественные сверхтвердые
литые сплавы «сормайт», «смена» и др. содержат 3—4,5% С и до 55—
60% Fe. Изучение свойств литого инструмента из этих сплавов пол-
ностью входит в специальные курсы (руководства) по термической
обработке и чугунному литью, вследствие чего здесь опускается.
Наибольшее применение для литого инструмента имеет стандарт-
ная высоковольфрамовая, дополнительно легированная хромом, вана
днем и молибденом сталь по нашим ОСТам марок Р, РФ1, РФ2, ЭИ 262.
Наиболее распространена «марка РФ], или 18-4-1, весьма полно-ис-
следованная в СССР (18% W; 4% Сг «и 1% V при 0,3% Мо и 0,7—
0,8% С). За границей также применяется, для замены вольфрама
в литом инструменте сталь 6—8% Мо; 8% Со; 4% Сг; 2% V и 1 % В.
стали
Отливки из вольфрамовой стали
719
звестное значе-
иашннах, рабо-
овпях отливкн
1х необходимо
хвойной норма-
нн с отпуском
ой стали
з а кти чес к и
же отливок из
>дий совершен -
и, рис 504 [3].
ненном ее про-
ким же содер-
усадка опреде-
рганцеванадие-
тичность вана
щин малоотли-
таким же co-
in трещинами
специальных
Для углерод»-
вой стали.
И
и
качестве веду
виде литого
тмеет большое
рощает произ-
кига, обдирки,
зление ннстру-
ическую обра-
ую обработку,
еллита и дру
тадия, тантала
сверхтвердые
£ С и до 55—
: сплавов пол-
термнческой
скается.
теет стандарт-
ромом, вана-
РФ2, ЭИ-262.
ьма полно ис-
л Мо и 0,7—
ы вольфрама
% V и I % В.
Рис. 505. Влияние вана-
дия на лянеЛную слегка
и сильно эатрудяеякук»
усадку стала с 0,35% С
Рис. 506. Влияние ванадия
на прочность я пластич-
ность стали в критическом
интервале температур обра-
80В8ИИЯ горячих трещин
при остывании в форме
720
Свойства стальных отливах и влияние на них состава стали
Введение бора (0,75—1,0%), присаживаемого в качестве раскис-
лителя (усваивается на 60—70%) и карбидобразующего элемента,
необходимо как для определенных технологических свойств, так и для
получения качественной отливки инструмента. Это объясняется благот-
ворным влиянием бора на жидкотекучесть подобной стали, что позво-
ляет заливать прутки диаметром всего в 3 мм. Оно используется не
только в безвольфрамовой быстрорежущей стали вышеприведенного
состава (на 4>азе молибдена, кобальта, хрома). Известны различные
исследования, например, о введении 0,75% В в сталь с 0,do% С; I7%W
и 5% V специально для литого инструмента fl92].
В России первые отливки инструмента из чугуна были получены
на заводе «Большевик» (б. Обуховский завод в Петербурге)
в 1893 г. Нет данных о более раннем применении литого инструмента.
Можно полагать, что это было вообще первым в мире промышлен-
ным использованием литого инструмента. Уже первые исследования
литого инструмента нз стали 18-4-1 (0,93% С; 21,0% W; 5,07% Сг н
1,50% V), установили его стойкость не ниже чем у кованого инстру-
мента, При этом твердость такого литого инструмента в сыром состо-
янии была всего около 330 Нв . Для использования же инструмента
необходимо иметь Яв>600. для чего нужно производить закачку
в масле с 1150—1250°. Эта операция очень осложняет процесс получе-
ния литого инструмента. Современные работы по развитию примене-
ния литого инструмента направлены по пути получения необходимой
твердости либо прямое сыром состоянии, либо только
при отпуске на 600—620°.
Как известно, хороший инструмент после закалки и отпуска дол-
жен иметь твердость не менее 62 R, для средних условий, не мевее
64 Re для напряженных условий работы (62 и 64 по Роквеллу, шкала
С соответствует 680 н 685 по Брннелю). Эта твердость должна мало
падать прн нагреве до 600—6203, иначе инструмент «садится» и не
обладает красностойкостью, являющейся основной характери-
стикой быстрорежущей стали.
Высокая твердость инструмента при 600° достш'ается после закал-
ки *а счет устойчивости первичного мартенсита, а твкже за счет вто-
ричного мартенсита и дисперсионного твердения, имеющего место
при распаде остаточного аустенита во время отпуска. Высокая
твердость обусловливается также отдельными включениями нераство-
ренных частичек карбидов, в частности вольфрама, имеющих твердость,
приближающуюся к твердости алмаза.
Таким образом, задача изготовления литого инструмента без вся-
кой термической обработки млн только с отпуском на 600° заключается
в получении уже в сыром состоянии структуры: 1) ледебурита и
мартенсита или 2) этой структуры с некоторым количеством
остаточного аустенита. Во время работы инструмента, когда
лезвие его нагреется до 600°, произойдет отпуск. Первичный мартенсит
должен при этом сохранить свою твердость. Остаточный же аустенит
должен получить превращение во вторичный мартенсит. Могут также
произойти процессы дисперсионного твердения (начальная стадия).
Очевидно, что также требуется уже в сыром состоянии получить благо-
приятное распределение ₽ основной массе твердых частичек карбидов.
Быстрорежущая высоковольфрамовая сталь относится к карбид-
ному, точнее ледебуритному классу. Таким образом, отливки нз бы-
строрежущей стали в сыром состоянии имеют сложные карбиды,
расположенные в виде ледебуритной эвтектики по границам пер-
вичных кристаллитов. Только длительным диффузионным отжигом при
Отливки ю вольфрамовой стали
721
очень высоких температурах» близких к температуре плавления ледебу-
рита, возможно, как показали исследования акад. Н. Т Гудцоаа и
С. А. Казеева, раздробить эту сетку карбидов. В отличие от обычного
ледебурита системы Fe—Ее.тС температура плавления этих карбидов
около 1300° (вместо 1150°). Поэтому температура такого отжига и
нагрева под закалку быстрорежущей стали достигает 1150—1250°
В производственных условиях подобная термическая обработка
чрезвычайно сложна, а для литого инструмента часто и невозможна.
Необходима строго контролируемая атмосфера, иначе произойдет обез-
углероживание и потеря свойств поверхностных слоев изделия. В слит-
ке, из которого потом отковываются заготовки, такое обезуглерожива
ние не желательно, но прямого брака изделий не вызывает. В литом
же инструменте, залитом с минимальными припусками, при обезуглс
роживании теряются свойства наружных режущих частей.
Достижение хорошей формы и благоприятного расположения кар-
бидов уже в сыром состоянии является одним из основных требова
ний при получении литого инструмента. Форма п расположение карби-
дов зависят от состава стали, ее наследственных свойств, метода плав-
ки, раскисления и модификации. Но самым важным условием является
наибольшая скорость затвердевания отливки. В инструменте
небольшой толщины, особенно залитом с минимальной обработкой
(только шлифовкой) режущих кромок, затвердевание настолько быст-
рое, что сетка карбидов в кромках не получает значительного разви-
тия. Исследования С- А. Казеева и Л. П. Ермошкина [193] литых фрез
диаметром 75 мм из стали 18-4-1 показали, что режущие свойства
получаются удовлетворительными и при тонкой сетке карбидов, без ее
раздробления диффузионным отжигом. Эти исследования подтвержда-
ются последними работами Т. А. Лебедева и И. А. Ревиса [1941-
Строение обычной быстрорежущей стали 18-4-1 в сыром состоянии
в массивном слитке и тонком литом резце представлено на рис 507
Рис. 507, Строеве быстрорежущей стали 18-4-1 в сырой
литом состоянии в слитке (слева) и в тонкой режущей
грани литой фрезы (справа). X 600
Видны три элемента структуры, ледебуритная сетка; светлая одно-
родная составляющая, вероятно обогащенный вольфрамом аустенит,
темноокрашенная составляющая, усеянная мелкими зернышками вто-
ричных карбидов. Такая неравномерность строения смягчается путем
диффузии в процессах термической обработки, но полностью не ликви-
дируется.
46 Зак. 39. ТО. А. Нехепдвл
722 Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
То обстоятельство, что карбидная сетка в литом инструменте, в от-
личие от кованого, не ухудшает режущих свойств, может быть обоб-
щено и для отлнвок из других марок карбидной стали Например, уже
давно известие, что в отливках из высокоуглеродистой хромистой
стали (1,5% С и 12—18% Сг) хорошее сопротивление взносу полу-
чается при грубой карбидной сетке. Оно выше, чем в кованых изде-
лиях из той же стати, имеющих мелко распределенные, разбитые кар-
биды. Такие отливки отличаются только большей хрупкостью, вслед-
ствие чего могут примениться для работы в условиях безударных на-
грузок (протяжные плиты, оправки н т. п).
Для получения благоприятной структуры и избежания диффузион-
ных процессов при термической обработке литого инструмента совет-
скими металловедами и литейщиками проведены большие работы. Соот-
ветствующие исследования уже установили, что в тонких пластинках
резцов (толщиной 12 мм) при повышении содержания углерода и вана-
дия в стали 18-4-1, а также введения 0,15-% Мо можно получить два ука
занных выше типа структур, необходимых для литого инструмента без
термической обработки.
По этим исследованиям (Н. М. Фокиной, Л. В. Горюнова,
А. Р. Мельникова, Т. А. Лебедева, И. Реакса и др.) [194, 195] сталь
с 1,20% С вместо обычных 0,8% в 18-4-1 в тонких пластинках резцов
является немагнитной (строение аустенитледебурит) и имеет твер-
дость всего 45- 50 Re. Ствль с тем же содержанием 1,20% С, но по-
вышенным до 2,1% V, является уже в сыром состоянии магнитной
(строение троосто-мартенсит + ледебурит + остаточный аустенит) я
имеет твердость уже 60—65 Rc.
После двух- и четырехкратного отпуска при 600—620° аустенито-
ледебуритная структура превращается в троосто-мартенситную леде-
Рнс. 508. Влияние хобальта
на увеличение продолжитель-
ности резания литыми резца-
ми из быстрорежущей стали
с 11% W в сыром и закален-
ном состоянии
бурит, вследствие чего твердость повы-
шается с 45—50 Rc до 65—66 Rr и рез-
цы показывают удовлетворительную
стойкость.
Необходимо также отметить бла-
готворное влияние кобальта
в литом ииструмеите на повы-
шение его стойкости и условиях работы
без всякой термической обра-
ботки. I
Соответствующие исследования ли-
того инструмента из быстрорежущей
стали показали вообще сильное влияние
кобальта к ванадия на стойкость не
только в сыром, но и в термически обра-
ботанном состоянии, рис. 508 [192].
Полезное влияние кобальта заклю-
чается в том, что он. не образуя карбидов, растворяется в основной
массе и повышает растворимость в ней углерода. Этим повышается
сопротивление износу и устойчивость стали при отпуске
Кроме получения надлежащего строения отливки в сыром состоя-
нии, при изготовлении литого инструмента без термической обработки
необходимо обеспечить т о ч н ы е размеры отливки. Если только
для получения инструмента требуется механическая обработка, то, не-
зависимо от удовлетворительности структуры сырого состояния, оттив-
ку необходимо подвергнуть смягчающему отжигу (при 800—850,
а иногда предварительно и до 11503 для диффузионных процессов
и лучшей коагуляция карбидов).
Отливки из вольфрамовой стали Т&
Механическая обработка литого инструмента всегда меньше, чем
кованого, но все же понижает технико-экономический эффект его
применения. В некоторых случайх понижается и качество, так как
в стружку уходит наружный слой отливки с наиболее мелким распре-
делением карбидов. В массивных инструментах после такой обработки
остается иногда настолько неравномерное строение и такая грубая
сетка карбидов, что стойкость литого инструмента хуже кованого.
2. Особенности изготовления отливок из вольфрамовой стали
в связи с ее литейными свойствами
Из изложенного видно, что производство литого инструмента отли-
чается рядом особых приемов работы, не всегда может обеспечить вы-
сокие свойства и требует еще больших научно поставленные работ.
Литой инструмент изготовляете я путем заливки в стационарные
песчаные, кокильные илн комбинированные (с местными наружными
холодильниками) формы. Получила также применение центробежная
заливка в песчаные и металлические формы. Во всех способах заливки
основными задачами являются обеспечение быстрого затвердевания
•отливки и получения точных геометрических ее размеров с минималь-
ной обработкой.
В последнее время начинают широко применять «прецизионное1
литье» для инструмента, получая отливки толщиною до 25 мм с точ-
ностью до 2.0,05 мм без в якой механической обработки (при тол-
щине отливки в 100 мм точность 0,25 мм). Такая точность и чистота
поверхности отливки достигаются особыми формовочными материалам’!
«кремнезем, обожженный на крястобаллнт, чтобы не было расширения
при нагрене, окись магния, окись циркония и т. п.). Формовка же дол-
жна производиться без разъемов модели и в одной опоке. Для этого
Применяют давно известный метод отливки с «выплавляемой моделью»,
изготоаляемой обычно из воска (см. подробнее 1196]) ".
Экономичным является получение биметаллического инструмента
с державкой или внутренней зоной из обычной, а режущей части — нз
специальной стали. Этот метод заливки пригоден только для инстру-
мента больших размеров. Основной трудностью изготовления
является обеспечение плотной н сплошной привариваемое™ быстроре-
жущей стали со вставленной в форму державкой и отсутствие трещим
при усадке. Чем больше диаметр державки, гем легче образуются
горячие и холодные трещины из-за стесненной усадки.
Этот способ сопряжен с известными осложнениями для массового
производства, так как для облегчения привариваемое™ поверхность
державки следует изготовлять с отверстиями, клиньями и шероховато-
стями, с омеднением этой поверхности и т. л. Для малых размеров
применяют цельнолитой инструмент из быстрорежущей стали.
Излишне расходуемая быстрорежущая сталь после износа инструмента
вдет в переплав и вновь на заливку, что уменьшает потери.
Для крупных размеров наиболее целесообразно проектирование
специальных инструментов с зилитыми или вставными литыми пла-
ст инками из быстрорежущей стали. Производство пластинок вы-
годно также потому, что облегчает получение благоприятной структуры
в сыром состоянии, вследствие быстрого затвердевания.
Высоковольфрамовая сталь из-за малой теплопроводности (всего
0,055 Д"ад/°С - см - сек, т е. в три раза меньшей, чем у углеродистой
стали) дает большие усадочные раковины. Необходимо обра-
1 Точное.
я Рвссмотревпе методов прецизионного литых опускается, квк входящее в курс
«Изготовление форм».
46*
724
Свойства стальных отливок и влияние на них Состава стали
щать специальное внимание на правильную установку прибылей и де-
лать их достаточно больших размеров. Например, при отливке неболь-
шой дисковой фрезы без нижнего наружного холодильника нельзя
было обеспечить строго направленного к прибыли затвердевания
Отливка без холодильника имела по данным И. Ревиса, И. Кватера,
В. Артемьева [195] вторичные усадочные раковины, рис. 509
При стремлении обеспечить равномерность заполнения
формы подводом металла через несколько питателей в зубцы фрезы.
Рис. 509. Эаливха
дисковых фрез с
равномерным под-
водом металла в
зубцы и с наруж-
ным холодильни-
•ndOTi
Рис. 510. Центробежная отливая
в сырую песчаную форму фрез из
стачи 18-4-1 (сложной конструкции
сифоном — сирая,! и более простой
«верху —• слева)
ком для предот-
вращения вторич-
ной усадочной ра-
КОВИНЫ
в них получается грубая карбидная сетка. Инструмент будет иметь
пониженную стойкость в этих зубцах. Кроме того, возможен их излом
при отбивании питателей. Поэтому равномерное заполнение формы,
например, питателем через втутку, обеспечило лучшее качество фрезы-
улитки, чем через зубцы тремя питателями.
Вследствие густоты металла и пленки окислов хрома подвод ме-
талла следует выбирать предпочтительно сифоном. Но для невысоких
отливок простой формы возможна заливка сверху, рис. 510.
В обоих методах центробежной заливки (см. рис. 510) основной
резервуар для приема металла обеспечивает спокойное протекание
металла через питатели. Они при заливке сверху в известной степени
играют роль прибыли. Используя преимущества центробежной залив
ки, можно не только получить хорошее строение в сыром состоянии
(литые фрезы рис. 510 из стали 18-4-1 имеют стойкость на 10—1555
выше, чем кованые), но я значительно уменьшить размер прибылей.
Вследствие чрезвычайной чувствительности кристаллизации высо-
ковольфр'амовой стали к скорости охлаждения необходимо при фор-
мовке нескольких деталей в одной опоке иметь равномерный
слой формовочной смеси вокруг каждой отливки. В противном слу-
чае, из-за разогревающего влияния Соседней отливки или близко рас-
положенного литникового хода возможно образование местных уча-
стков с крупными карбидам! и, следовательно, с пониженной стой-
костью.
Отливки из вольфрамовой етали
725
Одной из основных особенностей Производства отливок из высо-
ковольфрамовой стали является необходимость тщательной и плот-
ной н'абивки форм. Из-за большого удельного веса стали, при
неплотной набивке возможен распор формы и механический пригар
смеси к отливке («просечки» металла » межзерновых промежутках
формовочной смеси) Набивку форм, даже маленьких, необходимо
вести пневматическими трамбовками, обеспечивая плотность по прибору
«Союзформолитье» не менее 70 ед.
Формовочная смесь должна быть такой, чтобы обеспечить пад-
кую поверхность отливки и точность ее размеров. Для мелких
простых отливок применимы обычные смеси, песчано-глинистые,
а для более сложных отливок песчано-масляные (газопроницаемость
выше 130 и 160 см!мин соответственно; крепость 0,5 и 0,7 кг]см2, влаж-
ность 5—6 и до 2Ж).
Для крупных же отлнвок целесообразно применять смеси с высокой
теплопроводностью (магнезитовые, из хромистого железняка, цирко-
иита). Такие смеси, кроме меньшего пригара, ускорят затвердевание
стали и облегчат получение бовее благоприятного строения отливки
В практике замечено, что даже подогретая форма вместо холодной вы-
зывает ухудшение строения, настолько высоковольфрамовая сталь
чувствительна к скорости охлаждения при первичной кристаллизании.
Заливка в кокильную форму наиболее благоприятна для получе-
ния мелкой карбидной сетки и хорошей поверхности литого нистру-
Время после звмВйи, сей И
Рис 511. Прочность и пластичность высоко -
вольфрамовой стали при остывании в форме
в критическом интервале температур образо-
вания горячих трещин
мента. Однако получение точного профиля зубцов затруднительно без
принятия специальных мер по повышению жидкотекучести стали
и улучшению условий заполнения формы. Некоторые небольшие от-
ставки приходится заливать только в песчаные формы.
Тёммерагура заливки и режим "обтывиния такжи оказывают бель
шое влияние на свойства отливок из ^ысоковольфрамовии стдли. Тем
пература заливки должна быть по возможности более низкой, от 1380
де 14К)° по Пиропто без поправки, -в зависимости от условий запол-
нения формы различной конфигурация. Остывание до 300—400° дол-
жно быть возможно более медленны <м вследствие малой тепло-
проводности и большой хрупкости стали. Необходимо принимать соот-
ветствующие меры по борьбе с образованием горячих трещин в кри-
тическом интервале температур, так как прочность и пластичность ста-
ли в этом интервале очень малы, рис. 511 [89]-
Tib
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Заливку форм необходимо вести из малых ковшей через
носок, чтобы уменьшить металл «статический напор н размывание
формы.
г. отливки ИЗ ТИТАНИСТОЙ СТАЛИ
1. Свойства отливок из титанистой стали и особенности их
изготовления
Чисто титанистая сталь редко применяется для
отливок. Влияние титана как элемента ннокулирующего, раскисля-
ющего и успокаивающего сталь, легированную другими элементами,
уже рассматривалось, Влияние же титана как самостоятельно леги-
рующего элемента сказывается прежде всего на уменьшении активно-
сти влияния углерода В нержавеющей стали образующиеся карбиды
титана, как указывалось, предохраняют в известной степени отливку
от интеркристаллитной коррозии, получающейся из-за выпадения хро-
мистых карбидов по гр8ни1Гам зерен. Титан уничтожает хрупкость
в отливках, заливаемых самозакаливающейся сталью. Например, отме-
ченные ранее трудности получения здоровой отливки из стали с 5°/оСг,
обладающей очень малой критической скоростью закалки, значи-
тельно уменып'аются при введении титана. Отливки можно даже зава-
ривать в холодном состоянии без опасения пояаления трещин из-за
образования мартенсита. При большом количестве титана, полностью
связывающего углерод, отливки из стали с 5% Сг приобретают даже
чисто ферритную структуру и вовсе не закаливаются.
Из изложенного следует, что значительное введение титана (выше
0,2%) в конструкционную С1*зль, легированную никелем и хромом,
применение которой для отливок основано на хорошей прокалнваемости,
вообще нецелесообразно. Этим также объясняется ограниченность
применении чисто титанистой стали, т. е. введения титана в углероди-
стую сталь.
В конструкционной и \глеродистин стали гитан благотворно вли-
яет, в частности, иа умельчение строения первичной кристаллизации,
только до 0,2%. При содержании титана выше 0,2 до 0,5% замечается
его сильное ферритообразующее влияние, количество перлита в стали
уменьшается. При более высоком содержании титана, сталь не только
становится почти чисто ферритной, но характеризуется распределением
карбидов титана, как внутри, так и по границам зерен. СТаль теряет
не только свою вязкость, но и прочность (табл. 99).
Таблица 99
Влияние титана на механические свойства литой углеродистой стали
(2 чаек —ООО а+2 чаек— B3U а+ 6 час.— 596 а) [187|
Механические свойства
аь (Изод)
о./сь - 10П
,00g I 05 28,0
82,0
25,0
21,0
53,0163
30,5 1-13
0.70 0.03 .
0,86 0,02 0,П!7|П, 18] 45;<1
«.’300J7.
0,27 1,27 0,99
Отливки из медистой стали
Т21
Двойная нормализация и высокий отпуск дают наиболее высокие
показатели механических свойств Уже 0,2 % Ti повышает о , о*
и Нв , мало понижая I и (стали № 1 и 2). При высоком же
содержании титана, даюшем отношение sa!4(=(y^y), т. е. почти
полное связывание углерода в TiC (сталь № 3), вязкость очень мала.
Таким образом, учитывая неблагоприятное влияние титана не
только на пластичность, но и жидкотекучесть стали (взвешенные
тугоплавкие карбиды и нитриды), следует ограничить его содержание
до 0,2% в конструкционной и углеродистой стали для отливок. Этого
содержания титана достаточно для благотворного влияния его на рас-
кисление, успокоение, первичную и вторичную кристаллизацию стали,
а также tfa уменьшение дендритной ликвации.
Металл и шлак перед введением титана, являющегося сильным
раскислителем, должны быть хорошо раскислены. Титан для удешевле-
ния может ©водиться ие в виде ферротитана, а в виде смеси рутила
(TiO_.) с алюминием. Происходит вполне удовлетворительное восста-
новление титана. В нержавеющую сталь целесообразно, как указыва-
лось, вводить титан одновременно с азотом (сплавы TiCN).
Д ОТЛИВКИ ИЗ МЕДИСТОЙ СТАЛИ
1. Свойства отливок из медистой стали
Несмотря на ряд положительных свойств отливок из медистой
стали и хорошие литейные свойства ее, особенно жидкотеку-
честь, медистая сталь с трудом завоевывает широкое применение.
Бы то распространено ошибочное мнение, что в отливках из медистой
стали всегда образуются горячие трещины. Работ по исследованию
отливок из медистой стали еще немного. Благотворное влияние меди
на свойства стали впервые установил известный русский металлург
проф. В. Н. Липин [198]. С 1937 г. -медистая сталь по указанию
акад. А. А. Байкова начала получать у нас широкое применение
в виде известной стали ДС, для Дворца Советов. На Ниво-Краматор-
ском заводе им. Сталина были залиты из этой стали крупные отливки
опорных башмаков колонн Дворца Советов [199|.
Ранее указывалось, что медь» вследствие своей способности к дис-
персионному твердению, является ценным легирующим элементом. Ме-
дистая сталь может применяться для отливок массивных или та-
кой сложной конфигурации, котовые не допускают рез-
кого охлаждения при термической обработке. В последнее время
медистая сталь, •вследствие ее хорошей жидкотекучести, применяется
часто для тонкостенных отливок. В некоторых литейных мотор-
ных заводов медистая сталь выпускается из электропечи в ковш, а из
него малыми ручными кови/ами разливается на конвейере в сырые
формы для очень тонкостенных отливок (2—3 мм толщины). Самая
маленькая i гальиая отливка в мире весом в 9 отчин уже таено
именно из медистой стали
Равномерное выделение и коагуляция дисперсных частиц меди или,
как полагает акад. Н. Т. Гудпов, частиц твердого раствора меди
и железа, создает равномерные механические свойства в тонких
и толстых частях отливки. Таким образом, исключается
«влияние массы»
Выделяющиеся кз пересыщенного раствора частицы 'меди или бо-
гатой ею фалы блокируют плоскости скольжения. Чем мельче эти ча-
стицы, тем выше прочность и ниже пластичность стали. В зависимости
от температуры 0 длительности дисперсионного твердения для данного
728
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
-содержания меди можно получить различную величину и распределе-
ние соответствующих частиц. Получаются, следовательно, различные
механические свойства.
Медь может находиться в стали не только в виде дисперсных,
равномерно распределенных Частиц. Она может находиться также
в твердом растворе. В этом состоянии медь тоже повышает прочность
и несколько понижает пластичность стали. В отливках, подвергнутых
полному отжигу или отпущенных при чрезмерно высокой температуре
или в течение длительного времени, выделяющиеся частицы меди на-
столько укрупняются, что уже мало повышают прочность. По сравне-
нию с таким состоянием медь, находящаяся в твердом растворе,
влияет более эффективно.
Растворимость меди в Fe-a до 650° составляет 0,35—0,40%, а при
850° уже 1,5% (по некоторым исследованиям даже 3,5°/о). Таким обра-
зом, При охлаждении ста ж до 600° в условиях равновесия из рас-
твора может выделиться большое количество меди. Очевидно, что
в реальных условиях охлаждения отливок, всегда более быстром, чем
Требуется условиями равновесия, твердый раствор будет обычно п е-
р ес ыще н медью.
Исследования отливок показывают, чтр уже пру. простой норма-
лизации так же, как и при закалке в воде, в твердом растворе может
оставаться 1 1,5% Си. При последующем отпуске, ведущемся до 500—
550°, избыточная медь, сверх 0,35®/о, выделяется. Выделяющиеся ча-
стицы тем мельче, чем быстрее было предварительное охлаждение.
Как показали специальные исследования, в производственных усло-
виях достаточно выделения % пересыщенной меди Для того, чтобы
получить максимальные значения прочности отливок.
Очевидно, что в медистой стали прочность интенсивнее всего будет
повышаться именно при дисперсионном твердении, в начальных его
стадиях, пока выделяющиеся частицы еще не укрупнились. Примене-
ние медистой стали для отливок в нормализованном или закаленном
в воде и высокоотпушенном состоянии также возможно. Но свойства
стали полностью использованы не будут. Прочность ее будет меньше
вследствие того, что медь нахотится 'в твердом растворе (после нор-
мализации), либо вследствие бо.тыпого укрупнения частиц (после вы-
сокого отпуска на 650°).
При очень медленном охлаждении во время отжига повышение
прочности при последующем дисперсионном твердении совсем не полу-
чается так как частицы меди успевают полно коагулировать даже при
скорости охлаждения Зб^час.
Таким образом, полная эффективности влияния меди, как легирую-
щего элемента для конструкционной стали, определилась лишь после
того, как было обнаружено влияние 'меди на повышение прочности от-
ливок путем дисперсионного твердения.
При выделении в процессе дисперсионного твердения медьсодер-
жащих частиц равномерно по зерну стали (см. схему рис. 152) пре-
дел упругости увеличивается интенсивнее, чем пре-
дел прочности Эти является большим преимуществом медистой
сталй как конструкционного материала.’_Но т^к как эти выделения
упрочняют феррит, то наибольший эффект влияния меди при дисперсн
онном твердении получается в стали рольке с низким содержа-
нием угЛерода.
При содержании угтерода менее 0.2% даже В массивных рттив-
ках -из медистой стали можнб получить'сравнительно высокие свой-
ства, средние между показателями "Обычной ХрОмистой и никелевой
стали.'По равномерности свЗйств СобтНетсдауЮшйё показатели близки
'к--получаемым из- стали,‘легнЬевайно^ хШйоЯ и'вййслсм ОДновремвнйб.
Отливки ва медистой стали
729
Вследствие низкого содержания углерода отливки из такой меди-
стой стали будут обладать хорошей пластичностью. Таким
обравом, медистая сталь может заменить для массивных ответствен-
ных отливок конструкционную сталь с повышенным содержанием угле-
рода или сталь со сложным режимом термической обработки. Это
является также существенным преимуществом медистой стали
в применении к отливкам
Если медь находится в конструкционной стали с повышенным со-
держанием углерода, то уже требуется отпуск на сорбит. Следова-
тельно, может иметь применение сталь я с более высоким со-
держанием углерода, чем 0,2%. Только в такой стали уже не
сможет наиболее эффективнр проявиться влияние меди путем диспер-
сионного твердения
Для усиления влияния меди в стали с повышенным содержанием
углерода можно ввести сильные карбидобр'азующие элементы.
Они свяжут углерод, например, в карбиды хрома или титана, молиб-
дена и т. п. Освободится значительное количество Ре-а из цементита.
Получится гамма различных комплексных составов медистой стали,
сочетающих свойства упрочненного медью феррита с блокирующим
влиянием соответствующих специальных к’арбидов.
Аналогично, дополнительным легированием кремнием и никелем
можно еще более упрочнить феррит и получить повышенные свойства
в соответствующих отливках йз медистоникелевой и мепистокпемни-
стой стали Влияние кремния, никеля и отчасти марганца проявляется
также в том что онн образуют раствор с медью и этим как бы повы-
шают растворимость медн в феррите. Тогда в стали, содер-
жащей эти элементы, для возможности диспеосионного твеопения тре-
буется концентр'ация меди уже значительно более высокая, чем
0,35—0,40%.
Таким образом, для отливок могут найтн применение многочислен-
ные марки медистой стали. Влияние меди будет проявляться в той или
иной .степени, в зависимости от ее состояния (твердый раствор или
различная стадия дисперсионного твердения). Ряд исследований уста-
навливает, что наиболее рысокое повышение прочности
отливок при дисперсионном твердении после норма-
лизации начинает замечаться лишь при 0,5—0.6JS Си
(по диаграмме состояний нужно 0.35—0,40% Си) и достигает ма-
ксимума при ие р н о 11 р и 1,5% Си.
Поэтому наиболее распространенное содержание меди в конструк-
ционной стали для отливок, подвергаемых дисперсионному твердению,
составляет 1—2%. Подобные марки стали, независимо от содер-
жания других элементов, следует рассматривать как легированные
ведущим элементом медью.
Многообразие свойств и составов медистой стали может быть уси-
лено применением различных и специальных для нее методов терми-
ческой- обработай,
Например,' практикой установлено, чтр для многих отливок со сред-
ними толщинами стенок целеспобрязнее термическая обработка, заклю-
чающаяся в охлаждении с 900° в течение 4 ч'ас. Получаемые показа-
тели свойств оказываются более высокими, чем при обычной нормали-
зации «ли при полИЬм отжиге Отливок Иногда необходимо применить
высокий отпуск, при 650°, для снятия напряжений. Если вести его не
более 1 часа, то можно еще получить высокие и равномерные показа-
тели свойств, обусловленных влиянием меди, рис. 512 [200].
_ Из. рисунка вндир, что -показатели, механических. свойств медистой
стали соответствуют показателям хорошей конструкционной стали. По-
730
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
вышение содержания меди значительно повышает прочность. Н о д о
0,5% и выше 2% присадка меди менее эффективна.
Оптимальное сочетание прочности н пластичности
при содержании углерода 0,3% получается примерно
при 1,25—1,50% Си и прн дисперсионном твердении
Рис. 512. Механические свойства литой медистой стали (0,30% С;
0,40% Si; 0,75% Мп) в зависимости от содержания меди и различных
режимов термической обработки, включая высокий отпуск прн 650° дли-
тельностью ее более 1 часа
Отливки охлаждаются на воздухе с температуры нормализ’ацин
полностью или до 500“ после чего переносятся в печь для отпуска
(дисперсионного твердении). После выдержки определенное время при
соответствующей температуре отливки охлаждаются обычно на возду-
хе. При этом термические и фазовые напряжения в них Сравнительно
малы.
Необходимая длительность нагрева для достижения максимальных
значений прочности зависит от применяемой температуры дисперсионного твер-
дения. В качестве средних укрупненных данных можно отметить, что если прн 400°
требуется выдержка 50 час., то при 450° уже только 9 час., при 500Р— 4, а прн 550°
даже 2 часа.
Следует также отметить, что низкая температура дисперсионного тиердення не
только невыгодна экономически, но не обеспечивает и высокой ударной вязкостн.
Болыпияство исследований отмечает наилучшую температуру 500—550°.
Отливки из средне легированной медистой стали применяются в связи с их по-
вышенной коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред (введение 4—5% Си
в сталь 8/18, стр- 700). Вообще влияние меди прн небольшом се содержании (0,3—
0,5%) существенно сказывается на повышении антикоррозийных свойств стали
атмосфере воздуха и даже морской воды.
Отливки из высокочегврованяой стали не могут иметь содержание меди выше
8—10% вследствие выделения свободной меди уже в жидком состоянии.
2- Свойства отливок из низколегированной конструкционной
медистой стали
Средние данные по различным исследованиям о соотношении между темпера-
турой и длительностью диснерснонвого твердения для разных марок литой медистой
стали, в том числе сыцдавленвой в электропечи и в конвейере, предстьмеги на
сис 513.
Отливци из медистой стали
731
Из рисунка видно, что производить отпуск отливок из медистой
стали следует при 500—550° в течение 4—2 час. Для различных марок
стали в конкретных местных условиях минимальное соотношеяие между темпера-
Рис. ."»!3- Средние данные о соотношении между темпе-
ратурой дисперсионного твердения « его длительностью
для достижения наибольшей твердости по разным иссле-
дованиям ------до 3% Си; 4- - 0,08% С; 1.06»,'« Си;
Д - бессемеровская и электросталь (0.24—0,28% С,
0,95—0,85% Си)
турой к временем отпуска должно быть уточнено особо внутри этих интервалов
(рис. 514).
Оптимальная прочность для любой марки медистой стали получается только
при строгом соблюдении установленного режима дисперсионного твердении. Необхо-
димость очень точного выдержнваинв режима по температуре и времени является
недостатком медистой стали, осложняющим производственные условия изго-
товления отливок. Поэтому иногда предпочитают более дорогое дополнительное ле-
гирование медистой стали другими элементами, чтобы упростить условия режима
отпуска.
Необходима учитывать влияние мед» в зависимости от нахождения ее в ра-
створе или в виде выделившейся фазы, а также влияние других элементов на по-
вышение или на понижение растворимости меди в твердом растворе в Fe-Ь. Fe-7
и Fe-c.
Чем меньше железа будет связано с углеродом, тем больше
будет влияние выделяющейся дисперсной фазы, тем больше
повышение проч «ос г и. Так влияют хром, титан и другие к арб и д-
образующие элементы. И чем больше твердый раствор данного элемента
в железе будет способствовать выделению медьсодержащей фазы, тем больше повы-
шение прочности, Так и.тияет никель, дающий больший эффект, чем марганец млн
кремний.
Очевидно, что особо резкое влияние меди проявится в стали с низким содер
жанием углерода (меньше 0,2%), когда дополнительно вводятся еще карбидообразу-
щие элементы. Их содержание зависит от карбидообразующей способности- Напри-
мер, исследования читок стали с 0,1—0.2% С; 0,5—1.0% Мо и 0,5—1.5% Си показа-
ли, что при 1.5Р/о Си и введения молибдена можно повысить зв в два раза Более ранние
исследования автора совместно с О. С. Райнус1 отливок колес Пельтона ив стали
с 0,15—0 20% С; 0,7—0,9% Сг и 0.7—0.9% Си также обнаружили высокие показа-
тели прочности до 60 kzImmZ прн высокой пластичности (Ф — 45—60% на*
(по Менаже) ео 6 кгм^см^).
Дисперсионное твердение такой стали, как и чисто медистой, характеризуется
оптимальной выдержкой 4 часа при 500° и 2 часа при 550°. Процесс дисперенои-
ного твердения заметно проявляется в этой стали только при 450°. При этой темпе-
ратуре достается наибольшая твердость, Но процесс идет очень медленно, особен-
но при исходном сыром состоянии, без всякой предварительной термической обра-
ботки, рис. 515.
Дневерсионное твердение отливок ив медистой стали можно веста непосред-
ственно в исходном сыром состоянии, без предварительной нормаливацнн
Получаемые свойствт отливок мс-ут сказаться для некоторая треСсьлняЙ удовлетвя
1 См. сноску на его 268.-
732
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Рис. 514. Влияние температуры дисперсионного
твердения я его длительности на твердость ме-
дистой. медистомарганцевой и мед и сто лике левой
стал» (литая сталь с 0,3% С и 1,0% Си пред-
варительно нормализованная с 900°)
рнтелъиымк, хота и будут значительно уступать достигаемым при обычной обработке.
Так, например, свойства стали (см. рис. 515), имеющей по существу строение емрой
литой стали, без регенерированного зерна, отличаются показателями и ’» в 23
и 40 яг/м,и2 при I г ф — 12 и 28% соответственно.
Вследствие таких показателей оттивки подвергают нормализации перед дис-
персионным твердением, прибегая к обработке непосредственно из сырого состояния
только в исключительных случаях (сложная конфигурация отливки, пониженные
Требования к ее свойствам).
Необходимо также отметить, что в медистой и особенно в хромомеднетой стали
яовйшенное содержание фосфора увеличивает прочность, не влияя
заметно на пластичность. Положительное влияние фосфора в медистой стали для
отливок Сохраняется и при более высокой содержании углерода. Например, иссле
дования П. Ьаядуренко’ показали, что литая сталь с 0,25% С; 0,62% Сп:
0.84% Сг и 0.077% Р при 0,053% S дает при нормализации (900 в) о., <х>30 кг/млЯ
при ф 45% и а-, =3.0—3.5 кгм!см'1 После закалки и отпуска на 600° ударная
язкость достигает даже 4.5 кгм!емз (Шарли).
Повышение содержания фосфора увеличивает также со-
противление коррозии, усиливая влияние меди. Например, нэве-
т Отчет о ра'ббте~Ьа ‘Краматорскбм заводе «Производство качественной. хромо-
меднофосфористой стали в бессемерах бокового дутья», 1939 г.
Оглиеки из МеЗистой стали
733
Рис. 515. Строение медэстохромвстоб стали (0.17 С> 0,81% Сг н 0.85% Си)
после дисперсионного твердеиия при 450° в течение I часа (слева) и 14 час.
(справа) без предварительной термической обработки. X 300
Рис. 516. Влияние меди в
фосфора ва сопротивление
коррозии в атмосфере
»л водою го воздуха
стни данные с том, что повышение фосфора от 6.035 до 0,06% более эффективно уведя
чикает сопротивление атмосферной коррозии, чем новышение меди от 0,33 до 1 14%.
Влияние меди, хрома и фосфора ва повышение сопротивления коррозии в -тцосфер^
ваводского воздуха представлено на рис. 516.
784
Свойства стальных отлиЬок и влияние На них состава стали
Уменьшение вредного влияния фосфора иа пл . >мкм стал. прн наличии
хрома следует, ввджю, объя-wn. тем, *то образую"-я специальные карбиды хрома.
Меньшее количество Fe-a должно быть связано с углера*»>м. Следовательно, при
данном абсолютном содержании фосфора понижается его концентриаяя Fe-a
Уменьшение же вредного влияния фосфора при наличии Леди можно объяснить
тем, сто по исследованиям различие легированной стали при 2% Си вдвое
уменьшается растворимость фосфора в Fe-a. Выделяющиеся фос-
фиды располагаются преимущественно уже не по гралицам зерен. Они ассоциирова-
ны с сорбитом в тояио распределенные частицы, скорее упрочняюще сталь, чем
понижающие ее влястичюсть.
Медистые конструкционные стали для отливок могут быть допол-
нительно легированы одновременно элементами, как образующими кар-
биды (хром, марганец н др.), так и упрочняющими феррит (никель,
кремний). Наибольшее практическое применение имеют медистомар-
ганцекремнистые и медистохромоникеЛгвые стати
(табл 100).
Из данных табл. [00 следует, что дополнительное легирование ме-
дистой стали никелем и хромом для достижения более высоких меха-
нических свойств нерационально. Медистомарганцекремнистая
сталь более дешевая и при дисперсионном твердении обеспечит такую
же равномерную прочность при значительно более высокой пластич-
ности (№ 7 и 2). Если же работать без процесса дисперсионного твер-
дения, а просто высоким отпуском при 650° хотя бы в течение I часа,
то легирование хромом и никелем имеет уже значение для увеличения
Прокалнваемости.
Медь может увеличивать прок'аливаемость, незави-
симо от процесса дисперсионного твердения, так как понижает темпе-
ратуру превращения 7 —я я передвигает влево эвтектоидную точку S.
Влияние различных содержаний меди, хрома и никеля в соответствую-
щих комплексных марках стали в литом состоянии представлено на
рис. 517 [201].
Данные рис. 517 так же, как и данные о механических свойствах
Cu-Cr-Ni-Mo стали № 8 табл. 100, имеют большое практическое зна-
Рис. 517. Кривые прокаливаемостн (торцевая ваквлка) литой углероди-
стой стали по сравнению с виплавленяой на возврате медистохроиошже-
лемолибдевоеой сталью, ииеюще* различное содержание меди, хрома,
никеля и молвбдаи
чение. Они получены во время войны в связи с проблемой исполь-
зования легированных возвратов. Сталь Де8 принадлежит
к группе «естественно» легированных (выплавленных на возврате) или
искусственно очень мало легированных марок стали «заменителей»
Таблица 100
Механические свойства литой медистой стали • зависимости от содержания углерода, легирующих элементов (образующих карбиды и
твердые растворы) и режима термической обработки (по разным исследованиям)
№ стали Марка стали Состав стали, o/e Термическая обработка Мехавические свойства
C Си Элементы 3g кг 'мм2 кг/мм1 I0O •/в °-0 ♦ Нв о*
1 Си Mn-Si 0,09 0,R6 Мп 1.22 + Si 0,94 900 п 4? 52 81 31 58
2 0,11 1,74 Мп 1,04 + Si 1,28 950 n 45 57 7ч 31 56
950 n 4- 860в 490b 52 76 81 25 53 285
8 0,15 1,97 Мп 1,28 + Si 1,11 950 n 46 60 77 31 5,3
4 0,23 1.51 Мп 1,11 + SI 1,58 950 n 49 65 75 30 44
5 0 23 1,83 Мп 1,31 -1-Si 0,89 900 в 50 67 73 19 26
6 0,28 1,89 Мл 1,44 + Sl 1,29 950 n 51 74 69 17 211
7 Cu-Ni-Cr 0. 1 1,02 Ni 1,36 + Cr 0,48 900 в 46 76 bl 15 24 1,5И'
900 в + 550 8 60 83 73 13 24 2,2
Я Cu-CrNl-Mo 0,30 0,5? Cr0,30+Nl 0,33+Mo 0,11 900 в + 150 в 44 68 65 25 48 2"3 4,5Ш
9 0,29 1,35 Cr 0,53+ N 10,52—Mo 0,25 900 в + 650 в 65 80 S3 ‘20 49 241
10 Си-Si 0,11 1,74 Si 1,29 860 в+ 490 г 61 76 80 2т 53 85
11 0.30 1,16 Si 1,14 950 в 51 70 7% 26 48 184 4,7Ш
950 в+450 в 59 77 75 28 34 197 2,5Ш
12 Cu-Mn 0,34 1,12 Mn 1,33 870 в 49 78 63 2,3 50
13 0,32 1.92 Mn 1,26 940 в + 540 в 74 96 76 1b 39 2S5 З.ЗШ
14 Си-Мл-Мо 0 34 0,72 Mo 0,31+Mn 1,40 925+815 в -г6,50 в 52 60 75 16 40 207 1 '.41U
15 Cu-Mn V 0,15 1,15 V 0,10 +Mo 1,45 925 8+840 в+ 510 в 62 75 ЬЗ 24 5 5,8111
16 Си-Мл-Ti 0,23 0,99 Ti 0,20+ Мл 1,13 870 в+ 565 в 55 71 78 26 53 з,зи
17 Cu-Zr 0,32 1,04 Zr 0,22 850 в + 540 в 62 81 7b 13 1Ь 228
И — Иэод, тм HI Шарли, кгм/ем*
Отливки из Лидиспй столп
7S6
Свойства стальных- отливок й влияние па Aix состава стали
(стр. 673). Медь так же, как никель и молибден, не окисляется в про-
цессе плавки. Ее оборот в шихте вызывает очень быстро получение
'О.З—0,5% Сив стали. Содержание Си ~ 1% способно существенно повы-
сить прокаливаемость подобной стали, особенно имеющей низкие со-
держания хрома, никеля и молибдена, полученные из возврата
(рис. 517, внизу).
Медистомарганцекремнистая сталь, облагающая очень
хорошими литейными свойствами, большой прочностью и очень высо-
кой пластичностью, начинает получать широкое применение. Уже те-
перь много ответственных тонкостенных отливок самолетов зали-
вается из этой стали. Для обеспечения высокой пластичности необходи-
мо иметь содержание углерода не выше 0,2% (при |,&—2,0% _Си;
1,10—1,35% Мп и 1,00—1,25 пп Si).
Как видно из данных табл 100, даже в отожженном состоянии
сталь обладает высокими свойствами. Но максимальная прочность
в сочетании с хорошей пластичностью получается, конечно, только пос-
ле дисперсионного твердения, в особенности при предварительной за-
калке в воде (табл. 101).
Таблина 101
Механические свойстве литой медистомарганцекреминстой стали (0,16% С; <500 2 Si;
0,88% Мп, |,60*/« Си) в вавнсимости от термической обработки
ca/cfi • ЮО
%
Термическая обработка
кг jufl
кг'мм^
°/в
D/e
Ив
Сырая ...
Отожженная ‘*50 и
5ii и 510 в
900 м 4-434 в .
904 вд 4- 430 в .
39
46
54
67
?6
49
62
65
81
88
ео
74
83
82
86
28
27
25
20
45
50
48
45
40
150
160
185
240
2l>8
Огромное повышение прочности, особенно предела текучести, соот-
ветствующего лучшим маркам конструкционной стали, получ'ается. при
начальной стадии дисперсионного твердения. Поэтому в строение меди-
стой стали при малом увеличении нельзя заметить каких-либо -нзмеие-
ний по сравнению со строением, обычной стали, рис. 518.
Мед и стомарг-аицекремн истая сталь имеет х>чень
хорошую жидкотекучесть и малую склонность к обра-
зованию горячих трещин. Это определяет ее применение для
тонкостенных длинных отливок независимо от тех высоких механиче-
ских свойств, которые она может обеспечить (см. Кв 5, 6 в табл. 100).
Она должна иметь содержание углерода ниже 0,2% для обеспече-
ния высокой пластичности. Для этого приходится частично применять
низкоуглеродистый ферромарганец или сильно обезуглероживать ме-
талл при плавке.
Примером применения медистой стали с несколько повышенным содержанием
углерода и достижением требуемых свойств отливки без дисперсионного твердения
является изготовление рядач литых деталей автомобилей и тракторов на автозаводах.
Для различных отливок рычагов, корпусов и т. и., применяется сталь с 6,35—
0,40% С; 0.5—1.5% Си; ео ОДЧ» Si. к 0,7—0,8% Мп, дающая после нормалиазаяв
Нв 170—210.
Задние осевые- кожухи, я подобные очяявкв -заливаются из ц^злв с еше более
повышенным содержанием углерода; 0,5—0.6% С; 1,6—2.0% Си; 0,4—0,6% Мп и
0.6—0,8% Si. Отливкв подвергаются отжигу с регулируемой скоростью охлаждения
сначала в печи, а затем на воздухе для получения твердости Н в 170—180. М\фты
Отлиаки mi медистой стали
737
Рис. Б18, Строение медкстомарганценремяие-к>й стили (0,15% С;
1.68% Си; |,05% Мл и 0£4% Si):
А — сырая литая. Б — отжиг 850 в; В нормализация + лщл<рсш>н-
иол тггряен>М (9бо в 500 в); Г вЭДшпкп в ввде + цкиерслоПн-
RW-W (Жо + SW в) X 1М
сцепления и ряд отливок, подвергающихся цементации, заливаются из стали того же
состава, но с содержанием до 0,35% С (после закалки в масле и отпуска дости-
гается твердость 58—60).
В медистой стали для подобных ©ттивок необходимо содержание кремния
0,6—0,8%. Такое содержание кремнии нужно Не только для повышения жидкотеку-
чести стали и облегчвиий условий получении адор&вай отливки, но и для повышения
коацеитрасии меди в твердом растворе
Средне углеродистая медистая сталь для центробежной отливки роликов, колеи
днференциала и резных цементируемых отливок легируется иногда дополпятельно
хромом (0,20—0,35 и 0,35—0,40% С, 0,5—1,5% Си и 0,9—1.1% Сг). Эти отливин
с успехом заменили в автостросная ряд мелких поковок йе только с текинко-эконо-
мической. ио и с технологической точки зрения.
Особо большую роль играет высокоуглеродистая хромомедистая стать, приме-
няемая для литых коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, в частности
а втомобилей.
3. Свойства отливок нз высокоуглеродистой медистой, а также
из средне- и высоколегированной медистой стали
Коленчатые валы для мошных автомобильных двигателей подвер-
гаются сложным нагрузкам. Высокоуглеродистая .медистая стиль
для таких отливок применяете- ие только вследствие своих высоких
специальных механических свойств (большое сопротивление знакопере
менным нагрузкам и хорошая способность к затуханию вибраций) они
имеет исключительно хорошие литейные свойства, определяемые сов-
местным влиянием меди я высокого содержания углерода.
17 Зак. 78. ТО А Пехендаи
738
Свойства стальных отливок й АМЛниё На нйх состава стали
После многочисленных исследований наибольшее применение для
кривошипных валов и подобных отливок получила ст'алъ следующего
состава (2021. 1.35—1,60% С; 0,85—1,10% Si; 0,7—0.9% Мп; 1.5—
2,0% Си; 0.4—0,5% Сг; не более 0,10% Р и 0,06% S.
Термическая обработка сравнительно проста: 20 мин. при 900°,
охлаждение на воздухе до 650, вновь нагрев на 760 -800, выдержка
из высокоуглеродистой меднсгохромястой стали (зер-
нистые карбиды + углерод отжига + раздробленная
карбидная сетка по границам зерен) Х100
1 час, охлаждение до 535а в течение часа, затем tfa Воздухе. Прн этом
получается строение, сообщающее отливкам высокое сопротивление из-
носу, хорошую обрабатываемость и указанные выше механические свой-
ства. Основная масса состоит из коагулированных карбидов, мелко
распределенных округленных частиц вторичного графита и раздроблен-
ной тонкой карбидной сетки по границам зерен, рис. 519 J202J.
Такое строение дает основание некоторым исследователям оцени-
вать рассматриваемый металл, как чугун или сплав «гибрид», облада-
ющий свойствами чугуна н стали. Уже отмечалось, что трудно прове-
сти резко выраженную границу между свойствами отливок из стали
и чугуна. Рассмотренные ранее свойства отливок из высокоутлеродне-
той графитистой стали, из высококремнистого сплава, из ледебуритной
нержавеющей и быстрорежущей ст’али подтвердили это положение.
Можно принять, что свойства отливок из высокоугчеродистого медис-
того металла характеризуют их как отливки стальные.
Отливки обладают модулем упругости около 20000 кг>мм3, преде-
лом упругости 64—67 кг'мм2 (при °b cv?5 кг/мм2) и пластичностью
? и Ф 3—7% прн Нв 260—300.
Сопротивление усталости при изгибе гладких образцов около
32 кг!мм2, а с острым надрезом (\ 90°) 23—24 кг 'мм2. Влияние наруж-
ного надреза сравнительно мало, так как у^е гладкий рбраз^ц ^имеет
внутренние надрезы Хграфиг).
Выделяющаяся субмнкроскопическая фаза уменьшает чувствитель-
ность медистой стали к перенапряжениям во время работы от-
ливок Эта особенность медистой стали является ее преимуществом по
сравнению с чугуном, который, как известно, также обладает мвлой
чувствительностью к яаружным надрезвы н хорошей способностью
рассеивать напряжения. При этом большую роль играет конструк
ц и я отливки Например, коленчатый вал из перлитного чугуна
(3,3% С и 1>8% Si) при ^=27 тсг'мм2 показал сопротивление ус1*а-
ОтЛивки ив медистой стали
739
лости при кручении 5,8 кг!мм2. В таких же условиях литой вал щ
стали с 1,5% С; 1,0% Si; 1,75% Си и 0,45% Сг при сь = 75 кг, мм'2 вы-
держал напряжение 8,5 кг[мм\ а при более благоприятной конструк-
ции даже 12,3 кг]мм- [202]. Аналогично, в сечении цапфы чугунный
вал показал сопротивление усталости при изгибе всего 2,1 кг!м№. а из
рассматриваемой стали 4,7 и даже 10 кг>мм2 при более благоприятной
конструкции вала.
Содержание углерода 1,35—1,60% в медистой стали обеспечи-
вает повышение жидкотекучести и необходимое образование
углерода отжига. При более высоком содержании углерода (или
меди выше 2%) возможно появление первичного графита. Отливки
получают при этом уже ряд свойств, характерных для чугуна.
Содержание кремния 0,85—1,10% необходимо для графити-
зации, для повышения жидкотекучести и увеличения
растворимости меди. При 1,35—1,6% С нужно иметь для отли-
вок валов по ряду исследований содержание кремния, приблизительно
равное половине содержания меди.
Содержание хрома 0,4—0,5°/о необходимо для повышения со-
противления износу и ограничивается условиями механической
обработки. Кроме того, прн более высоком содержании хрома, прн
1,35—1,6% С, затрудняется графитизация. Это содержание хрома обес-
печивает получение тонкой сетки карбидов.
Высокоутлеродистая медистая сталь применяется не только для
Отливок валов, но и для поршней, тормозных барабанов и других дета-
лей автостроения. Поршни из этой стали лучите работают, чем из рас-
пространенных алюминиевых сплавов или чугуна. Состав стали: 1,35—
1,70о/о С; 0,9—1,3% Si; 0,6 -1,0% Мп; не более 0,10% Р и 0,08% S;
2,5—3,0% Си; 0,15—0,20% Сг.
Достигаемые механические свойства характеризуются а,, = 50 и
зв=65 кг!мм2 при 8 ч = 5% н Нв =210—240 против Нв = 140 для
алюминиевых сплавов.
Благодаря более высокой твердости стальные поршни в эксплоа-
тации лучше сохраняют свои размеры (точность размеров внутреннего
необрабатываемого диаметра должна быть в пределах ±0,15 мм}.
Кроме того, они имеют коэфицнент линейного расширения, меньший,
чем у алюминиевых поршней. Ои ближе к ао чугуна, что облегчает
работу поршневых колец.
Высокие содержания углерода, кремния и меди необходимы для
обеспечения требующейся исключительно высокой жидкоте-
кучести (отливка имеет толщину стенок около 2,5 мМ, местами до
0.75 мм и принимается с колебаниями по весу всего в ± 2 г). В послед-
нее время допускается понижение содержаний до 1,4- -1,6% С;
до 0,9—1,1% Si; до 1,0—1,5% Си и до 0,08—0,15% Сг и соответствую-
щее понижение НвЛО 190—225.
Метод формовки и заливки таких тонкостенных и легковесных от-
ливок на автомобильных заводах описан Л. М. Мариенбахом [203| и
отличается рядом специальных особенностей. Заливка ведется в сырые
формы с сырыми стержнями (влажность около 6%, газопроницаемость
50 см/мин). Поршни формуются горизонтально яа парных машинах с
переворотным столом по 8 шт. в форме, состоящей из двух верхов и
двух низов. При заливке поршни получаются по вертикали в 4 ярусах
по 2 в ярусе. Заливка пронэвадится на конвейере из ручных ковшей,
путем перелива из раздаточного. Металл выплавляется в дуговых кис-
лых электропечах.
Для отливок выхлопных клапанов и клапанных колец,
работающих под ударами при высокой температуре газов, применяется
47*
740
Свойства стальных отлавйЛ й влияние kit Ultx Состава с?али
нысокоутлеродистая мед йстох р о м овол ьфра м о и а я стаЧь сле-
дующего состава: 1,2—1,4% С; 0,3—0,6% Si, 0,3—0,5% Мп; I
2,0% Си; 2,5—3.5% Сг; 14—IT % W.
Эго, по существу, быстрорежущая инструментальная сталь, отли-
чающаяся красностойкостью. Ее вторцм специальным физиче-
ским свойством, определяющим применение для отливок клапачной си-
стемы, является коэфициент линейного расширения, обес-
печивающий тугую посадку в цилиндр. Перед окончательной сборкой
цилиндра отливкн клапанов охлаждаются в жидком воздухе. При по-
следующем нагреве до комнатной температуры вставленные в цилиндр
клапаны получают натяг, сохраняя его при работе в области высоких
температур.
Вольфрам я хром в рассматриваемой стали обеспечивают красно-
стойкость и требуемую величину коэфициента линейного расширения.
Углерод (выше 0,8- 0,9%) и медь нужны главным образом для повы-
шения жидкотекучести.
Применение высоколегированной медистой стали весьма
ограничено. При 8—10% Си легко образуются две неси сшивающиеся
жцдкие фазы даже при низком содержании углерода. Имеются некото-
рые данные о применении для отливок так называемой кипрской
стали», содержащей 15—18л/о Сг и 6—10% Си при С <0,12% По
этим данным, которые еще нуждаются в дополнительных исследованиях,
сталь отличается очень высокой жидкотекучестью и крупнозернистым
строением в массивных сечениях. В двухфазном строении стали имеет-
ся высокомеднстая фаза, так называемая «кипрская составляющая»
При правильной температуре заливки и надлежащей скорости
затвердевания удается получить сравнительно мелкозернистое строение
и механические свойства, характеризующиеся ~-г, 56—78 кг/мм" при.
20% и a.t 2—4 кгм (Изод) после 830 в + 500 в.
Сопротивление коррозии ниже, чем у стали 18/8, но интеркристал-
литная коррозия це наблюдается В щелочах и органических кислотах
стойкость отливок из стали 18% Сг — 8% Си удовлетворительна,
4. Особенности изготовления отливок из медистой стали
в связи с ее литейными свойствами
1) Жидкотекучесть и кристаллизация медистой стали. Уже отме-
чалось, что медистая сталь обладает очень большой жидкотекучестью.
Из рнс. 230 виДно, что медь, име-
Рис. Б20. Интервал затвердевания
стали с (1,4% С в зависимости от
содержания медН (по разным чан
ющая температуру плавления всего
в 1084°, явтяетСй единственным
элементом, повышающим даже при
низкой концентрации истйнную
жидкотекучесть стали при постоян-
ном перегреве над чнквидусом
Еще больше влияние медя на
повышение практической жидкоте-
кучести при постоянной температу-
ре звлийкя, что в известной мере
объясняется температурами н ха-
рактером первичной криста <лнзй-
ции * «едиотой стали. рис 520.
С повышением содержания «ме-
ди понижается темпер ату
р а л и к'в и д у с а 11нтервал з а-
Огливки из медистой стали
741
•гвердевания при содержании меди до 3% сохраняется достаточно
бо.шшим, значительно уменьшаясь лишь яри 15% Си и выше В связи
при 0,4% С влияние меди; «а повышение практической жидко-
текучести проявляется значительно-более интенсивно, чем прн 0 2% С
(рис 521) [17].
Влшйшл^'еди на повышение пряя'тической жидкотекучести,
но, не может быть стоп», поои..» .............J .
.. _ _w-----, конеч-
при одинаковом содержании, как
резким,
да
WO, ge может быть столь
влияние углерода. О
2U
/да
да, oxfl^u 1,5%,обе с
п е ч и в а «* т н а н б 6 л ь-
вдую, по сравнению
текучее ft, рис. 522.
Конструкционная lie
дпстОкремнемарганцовн -
стая сталь, содержащая
только 0,2% С, имеет
худшую житкотекучесть,
мвм высоко углеродистая
медистая. Однако бе
VSHCu
<&*Га
UtftCe
U/V.Cu
g.?S7.Ce
С»хг«
WXCu
-Z60X
ФКС*
cmexb С
(ЦМХС)
/йи се ы>
Темлгратура, ‘С
Ffie. S21 Влияние меди на повышение практи-
ческой Жидкотекучести стили с 0,2 и 0,4% С
жидкотекучесть знйчн
тольно вьийе, чем у простой углеродистой стели, и уступает только
жидкотекучести сред^елегнрованной никелекремл истой стали (3,5% Ni
и 1,о% Si, см. выше) (рнс. 523) 13].
Повышение содержания кремния увеличивает Жидкотекучесть ме-
листой стали. Введение же даже небольшого содержания титана.
Рис. |22>ВлЯ8Нне меди (w-Q,2tf0,4%C)
на практическую жидкотекучесть стай!
по сравнению) с влиянием углерога (опре-
делено по {гой температуре кото-
рая тр^уется* для адлолиеню/ Стирали
А = 300 X’:) сцяя иигйстой стаде -Жданные
рис. 521, дця углеродистом afra/ft— дац-
рдс. 3774-
желательного для связывания
углерода и более эффективно-
го проявления дисперсионного
твердения, резко умень-
шает жидкотекучесть,
рис. 524.
Благодаря высокой жид-
котекучести разливка высоко-
углеродистой медистой стачн
проводится (для валов) всего
при 1480—1510° С (около
1380° по Пиропто).
Можно допускать срав-
нительно небольшой
цеper рев и для конст-
рукционной медистой
стали Для некоторых от-
ветственных ртливок нельзя
перегревать ‘металл или сле-
дует обеспечить надлежащие
условия " затвердевания, так
как кристаллизация медистой
стали чувствительна к' скорости охлаждения. Например, при заливке
патрчока из различных марок медистой стали неизменно обнаружива-
лось ейльнб развитое дендритное строение в прибыли на том фланце,
к которому подводится металл
742
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Темпере/пу/а. ‘С
Ряс. Б23. Жидкотекучесть конструкционной
медисгокремпистомар| анцовистой стали по
сравнению с обычной углеродистой и пикеле-
кремнистой сталью (определена по спирали)
JfCuSnorrre/cyvecmt, А, см
Рис. Б24. Влияние кремиы и ти-
тана на жидкотекучесть мелн-
сгой стали
Небольшие коленчатые валы отливают обычно
вертикально в сырых, сухих формах или в стержнях. Для распро-
страненного способа заливки в стержнях (16 стержней) Применяется, по
данным Л. М. Мариенбаха [203], специальная смесь, состоящая из мо-
лотого кварца 3»8°/о (по объему), кукурузной муки 2,1%, льняного
масла 2,1%, отработанной смеси 18,5%, кварцевого озерного песка
55,0% и речного песка 18,5%. Молотый кварц (мелкий, 100% через си-
то № 140) обеспечивает огнеупорность смеси и совместно с мукой
уменьшает пригар этой смеси к отливкам. На гладкость и точные
размеры наружной поверхности отливок из медистой стали необходимо
обращать особое внимание.
Крупные коленчатые валы, независимо от применяемой стали,
в большинстве случаев целесообразно заливать горизонтально,
с установкой мощных прибылей на фланцах и щеках (рис. 525).
Массивный вал судовой машины, изготовленный литым вместо кова-
ного и лавнтнй хорошие эксплоатационные показатели, имел диаметр
фланца 800 мм и толщину шек 225 мм (см. рис. 525). Заливка велась
через 2 стояка диаметром 75 мм. Во избежание коробления вала щеки
стянуты (перемычками 100Х 100 мм. Чтобы не допустить горячих
Рас. Б25. ’Метод заливки массивного коленчатого вала весом 5,25 Т для
судовой машины. Справа — массивный чугунный наружный холодильник
толшиной 121» мм
Отливка иа жедиетой стали
743
трещин в верхней половине формы под прибылями поставлены толстые
и между ними тонкие усадочные ребра. Для предотвращения вторичной
усадочной раковины в нижней половине формы, вне прямого действия
прибылей, установлены массивные специально литые чугунные наруж-
ные холодильники.
Для длинных массивных коленчатых валов, производство которых
из различных марок стати начало развиваться взамен кованых лишь
в последнее время, нужно иметь более равномерный подвод металла,
чем дают два питателя.
Недостаточно обосноввно широко распространенное пречставленис
о неоднородности состава отливок из медистой стали из-за большой ее
ликвации, о легкости образования горячих трещин, красноломкости
и других дефектах отливок из
этой стали. Это представление
связывается обычно с фактами
«обнаружения на поверхности нз
делян скоплений структурно сво-
бодной меди и соответствующих
♦поверхностных трещин. Но это
имеет место главным образом в
изделиях при конке или в отлив-
ках при длительном нахождении
их в окислительной атмосфере
при высоких температурах. Про-
исходит окисление железа, ча-
стицы же меди коагулируют и
остаются, обогащая соответству-
ющие слои металла медью (см.
Jjjac 369).
Ранее уже отмечалось, что
коэфициент ликвации меди бли-
зок к коэфициенту кремния и что
ликвация меди значи-
тельно меньше, чем угле-
рода, фосфора, серы
(стр. 253). Ликвация меди осо-
бенно мала в стали, хорошо рас-
кисленной и успокоенной алюми-
нием, дающим твердый раствор с
мещью, рис 526 {34],
Рис. 526. Неоднородность состава
нз-за ликвации серы, фосфора, Мели
в центральной и наружной зоне
слигка по высоте (// —- сечадне
ваерху слитка, IX—внизу; 100% —
содержание элемента в коэще).
Сталь раскислена 0,t5% А1
2) Усадка медистой стали и связанные с ней явления вЪтлийках.
Линейная усадка конструкционной медистой стали
мало отличается от усадки обычной углеродистой
стали с таким же содержанием углерода (см. табл. 43,
44 и рис. 527 [3]).
Медистая стать по прочности и пластичности в критическом интер-
вале температур образования горячих трещин также не отличает-
ся от углеродистой стали, рнс. 528 J89J.
Замечается только медленное возрастание пластичности при осты-
вании (6 ~ 2% при 1240°). Однако это обстоятельство не может еще
вызывать столь интенсивного образования горячих трещин в отливках
из медистой стали. В практике известно, что даже в специально сде-
ланном резком переходе от толстого фланца к тонкой стенке патрубка
горячих трещин не обнаруживалось Известны факты эпизодической
вспышки брака по трещинам массивных отливок опорных башмаков
для Дворца Советов [67]. Однак*з замена электролитической меда ДНПр
Т44
Свойства стальных отливок и влияние на них состава стали
Температура, *С
Рнс. 527. ВЛняине меди на слегка и сильно за-
трудненную усадку стали по сравнению с чисто-
углеродистой сталью
турой в мартеновской шихте ликвидировала этот брак, вызванный влия-
нием водорода. Из этого следует сделать вывод, что медь нужно да-
вать не в ковш, как практикуют некоторые заводы, а в завалку или
в периоде кипения в печь.
Рис. 528. Ллдянне меди ца
прочность и пластичность
стали в крнгичет ком ин-
тервале температур обра
аования горячих трещин
Ц₽л осты ванаи отливки
в Форме
Существуют три теории, объясняющие
красноломкость медистой стали и, в связи
с этим, обобщающие прогноз о ли кости образова-
нна горячих трешии 'в отливках.
Первая теория предлола! ает наличие о kit-
гл oh меди по границам кристаллитов. Но, при
повышенной концентрации кислорода должно пре-
жде всего отделяться железо, а при гдокислении
стала прежде всего восстанавливаться медь Кро-
ме того, даже красноломкость железа из-за ски-
слой возможна только при Заметном содержании
сери.
Вторая теория црадиодагаят- наличие
м еж к р и ст а л т итн ы х сульфидов меди
или сиожных сульфидов меди, марганца и железа
Ряд исследований подтверждает образование в ме-
дистой стали сложных сульфидов. Однако их фор-
ма. расположении п количество определяются рас-
смотренными ранее условиями образования сульфи-
дов м в другой стали. ВредноЮ влияния меди
я ствли, содержащей не более 0,06—0.08% S, при
надлежащей концентранкн марганца и алюминия
ив установлено. Содержание серы в медистой стали
следует-иметь, над и в другой стали, по возмож-
ности более и и з к и м. в зависимости от конфигу-
рации отливки, метода заливки и требуемой пластичности.
Третья теория нредяаяагает наличие межкристаллитных скопление
структурно -свободной и«дл. Ее пеявивеие неизбежно в стали, садерм^мпей
1 См. кривые упругости диссоциации FeO к CutO — М. М, Карнаухов,
Металлургия стили, 1,23.
Омнвки из медистой стали
745
выше 8—10% Си из-за пояклення двух несмешивающихся жидких фаз. Если же
содержваце меди лежит в пределах растворимости в Ь- и "f-Fe- то выделение сво-
бодной медн возможно только в результате ее ликвации илн окисления
железа.
В отливках нз конструкционной стали тиквация медн не может достигнуть
столь значительных величин. Сильное же окисление поверхности отливок иа неболь-
шую глубину возможно при остывания в форме- Одной из делен применения орга-
нических крепителей в формовочной и стержневой смеси (кукурузная мука, масло)
является создание восстановительной или слабоокнсилительной атмосферы в полости
формы. Во всяком случае, структурво-сдободная медь а тонкой литейной корке не
может вызвать глубинного поражения отливки горячими трещинами. Возможны
только мелкие наружные поверхностные волосовины (третями),
уходящие при простой шлифовке.
Прн ацетнлевовой же заварке отливок нз медистой стали необходимо держать
нейтральное или восстановительное пламя, так как окисление железа возможно уже
на большую глубину. По этой же причине следует отрезку прибылей отливок нз
медистой стали производить иа станках, а ие огнерезкой.
Мероприятия по борьбе с горячими трещинами в отбивках из меди-
стой стали не отличаются от применяемых в производстве отливок нз
обычной стал». Следует только избегать сильно окислительной атмо-
сферы при затвердевании отливки и обращать внимание на возмож-
ность появления наружных волосовин.
Большую роль играет состав стали. Наряду с данными о вы-
соком качестве отливок нз медпстой стали имеются исследования,
которые указывают на образование поверхностных и глубинных горя-
чих трещин при заливке сталью с содержанием меди выше 1 %.
Повышение содержания кремния и марганца, увеличиваю-
щих растворимость меди и препятствующих ее выделению в свободном
состоянии, предотвращает образование горячих тре-
щин в отливках нз стали, содержащей более !•/» Си.
Размеры прибылей не отличаются от обычных.
Используя хорошую жидкотекучесть и теплопроводность медистой ста-
ли, можно их несколько уменьшить Также не требует применения ка-
ких-либо специальных мероприятий борьба с напряжениями в от-
ливках из конструкционной медистой стали. Применяемый обычно
отпуск при 500—550° в течение 4—2 час. обеспечивает достаточно
полное снятие напряжения.
В отливках нз высокоуглеродистой медистой стали,
вследствие низкой теплопроводности, возникают значительные напря-
жения, ведущие обычно к деформации отливок, особенно валов
В массовом производстве, кроме известных мер по правильному кон-
струированию отливки и надлежащего режима ее остывания, необходи-
мо делать также «фальшивые* модели (с обратным прогибом, стр. 352).
Из изложенного видно, что медистая сталь обладает вполне удов-
летворительными литейными свойствами, хотя производство отливок из
нее требует принятия некоторых специальных онер.
УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ '
Ot.uj I
ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА И ПЕРВИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ
В ОТЛИВКАХ
1936, № 12
1г Ру®1106- История литейного производства, Литейное Де. о, ... ..
1. Н. Хворяиев (N. Cbvorinov). Управление затвердеванием отлнвок ио-
мощью расчетов. Foundry Trade Journ. 1939, 96. Теория жгвердекаяни отлчвок.
Die Giesseret, 1940, 177. 197. 222
2. В. Гуляев, Тепловой баланс етатьного слитка. Сталь. 1941 № 2/3, 29.
Бр,1ггс (С. Briggs), Метатлургия стального .питья (The Melallugry of
Steel Castings), изд. Me Graw-Hll; Book Co. 1946.
4. В Лапиикий и А. Ливший, О иарастанкн корки металла в процесс
застывания, ыитк» епокойюй стаж. Теория и практика металлургии. 1940
№ 10. 9.
Б. Ю. А. Н е х е н д з и и Л И. П е а и, Скорость затвердевания стали в песча-
1гых и металлических формах Бюллетень литейщика, 1946, Mi? 4-
6. И. Гранат и А. Безденежных, Влияние толщины стенки нзложвииы на
в ход застывания я качество стального слитка. Металлург, 1938, № 10. 19.
* 7. Г Шварц (Н. Schwartz) Влияние лучеиспускания Формовочной смеси па
скорость ватвердеванпн металла, American Foundryman. 1945, Now., 45; Затвер-
девание металлов, Trarft. Americ. Foundr. Assoc., 1946. Vol. 53. 1,
8. Ю. А. Нехендзи, Нержавеющие стали для фасонных отливок сборник «Но-
вое в технологии литейвото производства», Машгиз. 1938. 112: Жидкотекучесть
стали, сборник «Фасонное стальное литье», изд. ЛО НИТОЛ. 1940.
* 9. Ю А. Нехендзи и А. М. Самарии, Жидкотекучесть металлов в но-
вая проба для стали. Труды ЦНИИ МТМ. 1946, № 5. 3.
10. В- Руфф (W. Ruff), Жидкотекучесть ковкого чугуна и стати. Carnegie
Scholarship 'Memoirs. Iron a Steel Inst. 1936. 1: К вопросу оппеделеиня спо-
собности течь жидких металлов, Zlsdir. f. MetaHkunde. 1937. 238.
11. Е Г. Щ видхоьский, К. Г. Ахметзянов. А Г Белянкин и Л- И.
Шушпанов. Вязкость расплавленных солей, сборник «Вязкость жидкостей
и коллоидных растворов», изд. АН СССР. 1045.
*12 Я. И Ффеяиель. Кияетеческая теория жидкости, изд. АН СССР, 1945,
99. 180.
* 13. В. К. Семену емко» Модификация как физико-химический процесс, cflon-
иик «Модифицирование чугуна», под ред. акад Е. А. Чудакова, нал. АН СССР.
1942. 22
* 14, П. А. Ребиндер, Иоелеаовагая в области прикладной физике-тямии по-
верхностных явлений в ЦНИИ цветных металлов, сборник «Исследования
в области поверхностных юлений». ОНТИ 1936. 7.
15. И. А. Андреев. Определение поверхностного натяжения жидкой стали,
как метоп лабоовтогдаого исследования ripouecoOT сталеплавильного произ-
водства. Труды ЦНИИ НКТП. 1945 № 2/ЗЛ
16. А. Портевен и П Бастией (A. Portevin & Р. Bastien). Жидкотекучесть
сплавов, ее связь с интервалом затвердевания. Comptes Rendus. 1932 850.
Материалы к исследованию жидкотекучести тройных сплавов. Comntes Rendus.
1933, 1936: Капиллярность как фактор п литейной Практике, Foundry Trade
Journ., 1936, 28.
17. Д. Энлрью. Р. Персиваль и Г. Боттомлей (J. Andrew.
R. Percival & G. Bottom ley). Жидкотекучесть сплавов железо-углерод и Других
жечезиых сплавов. Второй отчет Комитета исследований етатьного тнтья.
J. Iron & Steel Inst., 1936, 43.
1 Звездочками отмечены работы, в которых приводится библиография по соот-
нетсгвуюгпям вопросам (см предисловие)
Указатель литературы
747
18. Н. Г. Гиршович и Е. К. Видия, О жидкотекучести иалгжремнистосо
(ковкого! чугуна. Вестник металлопромышленности, 1930. № 5, 1.
19. Ю. А. Не хеи д з н и Б. Д. X а х а л и н. Жидкотекучесть углеродистое сте-
ля, см. № 9, а также Труды Левшеградского «голитехяичеоюго института. «бор-
инк «Металлургия», 1948.
20. М. Г. О к но в, К вопросу о величине зерен в металлах. Металлург, 1936.
№ 3. 3.
21. В. И. Данилов и В Е. Нейхарх, Влияние перегрева расплава на струк-
туру алюминиевой бронзы, Металлург, 1940. № 10, 17.
22. А. М. Самария, М Л. Королей и И. В. Паисов, Влияние ахгга на
хромосодержаииге сплваы, Метцулург, 1938, № 11, 80.
23. Р. Митче (R. Mitsche), Тенсораспределвнныс неметатлические включения и их
влияние на органические и чужеродные зародыши, Carnegie Sholarship
Memoirs. J. lr. a Steel list.. 1936. 41
24. H. T. Гудцов, Физическая металлографии, лекции в Ленинградском полатех-
ничееком яястнтуте ня М. И Калинина (литографнроваиб). 1939.
25. А. Ж е г а л о в « В. Т в i е е в. Кристаллизация стального слитки. Металлург.
1938. № 2. 35.
26. В. Т а г е е в и Б. Гуляев, Затвердевание стаЛяого слитка. Металлург,
1939, № 8, 23.
27. Ф. Горски й. Температурный ход числа центров кристаллизации: под в.вя-
ннем электрического н магнитного полей. Жури, эл.-техн. физики, 1934. 522
28. Д. К. Чернов, Исследования, опюсяивиеся до структуры литых ствльмах,
болванок. Записки императорского русского технического общества, 1878,
декабрь, см. также журнал русского металлургического общества, 191 Б, (, 91.
28а. Л. Норскотт (L. NorthcofO, Влияние турбулентности «а структуру
и свойства стклыаых слиттов. J. Iron a Steel Inst, 1941, 1, 49.
29. И. Ве.рэ (J. Verfi), Структура литой свали в зависимости от скорости охлаж-
дения, Carnegie Scholarship Memoirs. J. Iron в. Steel Inst, 1938, 165.
30. Анкета о том, что такое дендрит. Металлург, 1932, № 7, Г».
31. А А. Б о ч в а р, К вопросу о возможных изменеимдх в технологии литья
в связи с внедрением метода «ристалимзацпи под давлением, Известия АН СССР.
Отделение технических ваук, 1942, № 9. 28.
82. М. Кл а с сен-Н ей 1 юдо ва и Т. Конторова, Природа межирнстал-
тических прослоек Успехи фиянческнх иаук, 1939, 249. 395.
33. А. Г'а|гнебнн (A Gagnebln), Влияние методе раскислеиия на пластич-
ность литой стали. Trans. Am. F. As. 1938, № 1 133.
*34. С. Эоштейя fS. Epstein) « Ф. С яс к о (Sisco) Сплавы железо-угле-
род. I — состояние, II — свойства (The Altovs о! Iron and Carbon, Vol. I—£on-
stitutiort. Vol. II. — Properties), пзд. Me Graw Hill, 1936, 1937.
35. В Жданов, Роль энгармонических сил в кристаллах Раздел пинги
В. Д. Кузнецова «Физика твердого те та», Томск. 1937, 360.
‘36 К. Г. Трубив. Газы в стали. ОНТИ. 1937. 87.
37 Ю А. Не хендаи. Стальное литье. Изд. Кчбуч. 1931. 34.
3ft. Н. Г. Г и р ш о в и ч. Чугунное литье. Изд. Кубчч, 1935. 469
39. Г. Тэйлор и Э Романский (И Та у I о г S Е. R о тп I и s k ik Атмосфер-
ное давление и его применение в еппьном литье Новая техника подвода метал-
ла и установки прибылей, Тгагв. AFA 1942 21й.
* 40. Б. О з а и н (В. О s a n rf). Современные фасаниосталелнтейные для «Лучения
и практики (Moderite Slablgicsserri Гш llnterrichl und Praxis), тзд. J. Springer.
1936, 226.
41. А. Мартенс н 3. Гейн (A Martens n E. Hcyrt), Мятегта.'юееложе
для машиностроении (Handbucb der Materialkuride fiir den Maschinenbau). изд.
J. Swinger, 1912, II. 445,
42. В. Клаусс и А. Гедеритц, Литье металлов н сплавов. ОНТИ. 1941.
(A G о е d е г i t х). Механизм образования усадочной раковины. Математиче-
ское исследование проблемы и обраяования. Metaltwirtschaft (Wissenschalt,
Technikl 1941. № 11. 261
43. В. Конопасеоч Размеры усадочной раковины в зависимости от форыы
и литья болэаяка. ЖРМО, 1913. 498.
♦ 44. В. Е. Г р у ы-Г ржимай то, Производство стали, ОНТИ. 1931, 289.
45. В. Костылев. Усадочная раковина и ликвация в рельсовой стали. ЖРМО.
1912 755.
46. А. А. Рыжи коп, Поябыля для стального литья. Машгкз. 1947. 15.
46а А. Гой вер с (А Неи vers). Что должен сказать сталелитейщик конструк-
тору об образовании усадочных раковин и трещин Stahl u Ersen. 1929. 1249;
Техника заливки сталвдых отливок. Die Grfesseret. 1943, 201.
47. С. Бринсон и Д. Дюма (S. В г 1 г? s о г в J Duma) Исследования осевой
усадочной рыхлости и стальных отливках. Trans. AFA, 1943. III. 657; Прнмеве-
ние к крупным стальным отлпвкзм контролируемого иаправ-кчиюго ватвердева-
Указатель литературы
ши, Journ of the Americ Soo. of Naval Eng. 1940. 1, 26, Foundry Trade Journal,
^сслеДОзаияе Ч-иин в фитингах с фланцам». Trans. AFA, 1945.
4-9. Г. О й к с. Изучение на стелрнне некоторых факторов, влняюшня на рхдогие
дефектов в -стальном с.тяпке, сборник «Производство стали», Московский ивстч-
тут стали г*, И. В. Сталина. 1941, 1S9.
49. Г. Бетти (G. В a t i у). О втаяннн температурных градиентов при производ-
стве стального литья, Tram. AFA, 1934, 162; 1935, 75, Регулируемое направлен-
ное затвердевание, Trans. AFA, 1934, 237.
50. Г. 3. Н е с с е Д ьш т р а у г с. А. Брира и и Р. Бри л-и. Слитки н наложни-
цы. ГОНТИ, 1925.
51. Ю А Нехендзн Производство фвсомного стального титья на »аж>дах
Германии, Литейное дело, 1930, М 5.
52. А. Д. Попов и 3. В, Колодкина.- Влияние холодильников иа качество
стального литья Литейное дело, 1941. № 2. 26.
53. И. А. Андреев. Процесс кгягения мартеновской ванны в свете йрзжкн но-
еемюктных явтешгй Труды ЦНИИ НКТП, 1945. № 2'3. 17.
*& К- С митте ль с. Газы п металлах, Металлургиздат. 1940, 185.
ЯС Юрьев. Вопросы иынчесвого равновесия газов с металлами в металлур-
гических процессах Статья в нкиге Смительса (№ 54). 176.
*56. М. М. Карнаухов. Металлург»; стали. ОНТИ, 1934, т. 2. 121. т. 3. 189.
* 57. В. И. Явовский, Влияние си-тикатов, сернистых включений и газов на ка-
чество стали. Сталь. 1945. № 11/12; 393, Температурный режим выплатам стали
15 основной мар-теновсхоа печи. Труды ЦНИИ МСП. 1947, № 1, 3.
S8 . Ю. А Нехеидзп. Выбор состава стаж соответственно назначение фасон-
и пых отливок. Металлург, 1933. № а 27
59 . Н. М Чуйко Теории Удаления водорода при электроплавке стали Теория и
практика металлургия, 1938, № 778, 48.
60 Нимвкикнй А Исследование гавов. содержащихся в жидкой ст пи. pc>J>e-
рат по статье Э Амина и Г. Вялльнерса, Уральский -гехняк. 1929, 130.
$1 . К- Симс и К. Цй-пффе (С. Sims & С Zapfft' Водород и йэот как
причина газовых включений в отливках из железных сплавов. Trans. AFA, 1911,
III, 517; Механизм образования ситовидной пористости. Trans. AFA 1941. 255;
Род-ооодне я крупяссть. пиутреянне напряжения и лефенты в стали. Iron a St.
Division. Tran’s. А1ММЕ. 1941 225- Водород в стали и в чугуне и дефекты
в соответствующих отлявках. Metah я Alloys, 1941 V, 584.
62 А. Н. Сокол ов. Плевка ста тв для фасонного литья в дуговых электропечах,
сборник «Стальное фасонное литье» под ред. Ю. А Нехендзн нал. ЛО
ИИТОЛ 1940. 39.
63 . Ю А Н е х е н д 1 и. К анализу особенностей шведских конструкционных я не
ржавеющих сталей. Металлург, 1935, № 3, 38.
64 Н. Чуйко и А. Львова Влияние влаги йОэлутя и извести на поражение
металла флокенами и другими корежамн. Теория и практики меттпургнн. 1938.
Чв 3
65 , А. М. Сама пип. Электрометаллургия. МеталлУргиздат. 1943, 341
* 66. Влияние процесса плавки на фтокеночувствительнпгть стали, сборник «Трувы
BceeoHi’WOTo совещания по борьбе г флокенами в стали» Металлурпидат,
1941. 47.
67. В. Д в си и ц к и fi. Производство Углеродистой стали для фасонисто читья
р основных мартеновских печах, сборник «Стальное фасонное литье». 1940, 56.
М. Друяц и Д Костянский. Пористость стального литья и присадка
ятюшнгат Упальс кал металлургия, 1939. № 10.
Е. К Л a v с т и н г, К всчаросу о флокенах в литой етчл ' Мега .' 1937,
№ »10. 79.
7U. Л. II упру к Причины яеудовлетяоригелълых механических свойств осевой
стали и способы их устранения. Теория и практика металлургии. 1939. № 9. 33.
7! М. .М. Карнаухов и А. Н Морозов. Кинетика ояствопечи я азот»
в житном железе и в сплавах его с кремнием. Известии АН СССР. Отделение
технйче-ких наук. 1947. № 6. 7357.
72. Р. Радиус, К вопрос о гззотчорной способности Формовочных, и етерж1#е-
, аыд смесей. Питейное чело 1941. № 3. 16
7.5. КгчстючёЯ1хп О рл*м^грпяянчи металла шлаком по методу янж
А С Точинского, Сталь. 1933. № 7, 1 я Л. Д ч v г я ч. Новые методы
ч металлургии, реферат но статье Перрена. Степь, 1933, 7 93
74. В КраФтс Д. Итак и В. Ф о р ж е и (W. Crafts J Е е a n & W For-
Ren^l. Обпаэовчние включе^гй в стальных отливках Americ of wining
and Metallunj. Enp. Teehn РпЫ N» 1184; Metals Technology 1940. М3. 18.
Fo-mdry Trade Jonrn. 1940. № 1242. 413.
‘W-a Л Кэйн f.f. Caine), Изучение «пригара» или |«жгоревшего песка. Tn
AFA, 1944 647.
8 g
УцАзатеЛГ! литературы
749
*75а. Б. Ларсен гВ. Larsen), Обзор факторов, обусловливающих ликвацию
в стальных считках, сборияк работ по ликвации, Metals Technology, Techn.
Pub] 1764, 1844, IX. 13.
75. M. 17. С лав и и си я fl Явление обритиой ликвации в железных сплавах
(«твердонкны» и «периоаины»), Металлург, 1939, № 10, II.
*76 П. Обе ,р гоффе р, Техшческое железо, строек:» и свойства, Мета-ыурсЯз-
дат, 1940, 102.
77. Г. Тиммонс. (G. Timmoes), Факторы, влияющие на ГЙ .гичвйсть дйтой
стали, Trans. AFA, 1943, 417.
*78. А. Гэй.с и Д. Чипмэи (A. Hayes &. J Ciiiprnan) Механизм затвер-
девания и ликвации в слитках явакоуглероднетой лепящей стили. Iron a. Steel
Division, AIME. 1939, 85.
Отдел II
ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА И ВТОРИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ
В ОТЛИВКАХ
79 М. П Славия ск иЙ, О. Молхасяк и Л. Эле льсон, Изменение зерна
н альфа-<*еднык твердых -растворах в литом состоянии под яливжем отжига.
Металлург, 1936, № 3, 8.
ВО. К- Л. Бутии и А. Н Кривошеев, Абнормаяьные структуры в палках из
отбеленного чугуна. Теория и практика металлургия, 194(1, № 5/в, 61.
-1. И. Ф Бочховнтинов, Величина зерна и свойства спи», Mcia liyprtis-
дат, 1943, 36. 104.
‘“2. Обгцг зависимости между величиной зерня, закаливаемостью ы »юр*<ачьно-
стыо сталей, сборник «Величина зерна а стали», ОНТИ. 1935, 38.
83-А С. Завьялов и 3. И. Красильщиков, О превращениях в доэвтяк-
тоилных Сталях при нагревании. Металлург, 1938, № 11, 35.
84. К. М а лншев. Кинетики роста зерен аустешгга в литой и кованой стили
с добавками алюминия. ванадия я титана, Металчург, 1939, № 6. 30.
*85. М А Гроссман, Основы термической обработки, Метал чургвздат, 1946,55.
86. С Н. Кишкин, Теория отпускной хрупкости епециалыюй стали. Известия
АП СССР (серия техническая). 1941 № 3. 101.
8?" А С Завьялов. К теории легирования и термической обработки стаж изд.
ЦНИИ—НКТП, 1943.
*1Л Г. В. Курдюмов ц Р. И. Э.НТНВ, Отпускная хрупкость конструкционных
сталей Металлургиздат, 1945.
89. Г. Холт (Н. Hall), Прочность н илжстнчиость литой стали в процессе ох-
таждеши на жидкого состояния в песчаных формах, Второй отчет Комитета
исследований стального литья. J. Iron a. Steel Inst., Spec. R«p. № 1-5, 1936,65.
90. Ю. А. Нехеидзс О влнжпж конструкции стада4ных отливох «а их качество.
Металлург, 1928, № 4.
91. Н. В. Калакуцкий, Внутренние напряжения в чугуне и стал^, GTIB. 1887.
*92 И. А. Одинг. Метод аяатнза объемных изменений и внутренних напряжений,
ЦНИИТМАШ, 1943, 5.
S3. А. Кома р, Применение рапгеновсигх лучей к исследованию упругих напря-
жений в кристаллических пеществах. Журнал технической физики, 1932. 519,
671.
«. Н. А. М и н к е в и ч, Скорость Нагрева сталей. Труды I съезда по качествен-
ным сталям. Мегаллурпгздат. 1933. 146.
st. Бюлер, Г Бухгольц к Э. Шульц (Н. Biihler, Н. Buchholz
&- Е. Schulz), Внутренние напряжения ери Термической обработке стали.
Arch. f. d. Eisenhiittenwesen, 1931/32, 413; Совместное влиягие -термических
• и <]мьзовых напряжений в хваленной стали. Arch. Г d. Eisenhiiltenwesen.
1933. 283.
96. М Андреев, Термообработка стального литья, Литейное дело, 1939, № 7,12.
97. Л. Бенсон и Г. Эллисон (L. Benson &. Н Allison). Снятие гжуг-
рявкх напряжений в отливках. Foundry Trade Jourr., 1938, 527.
*98. Ф. В ити а и. Остаточные напряжения, ОНТИ. 1933, 20.
99- Г- Гришеико, О напряжетмадх я чугуввых отливках и способах борьбы
с ними. Металлург, 1935, № 5.
100. Д. Баранов и М Ляпов. Исследование оетывахНя отливок ствльных
шаботов, Тяжелее машиностроение, 1935, № 4, 24.
750
Указатель литературы
Отдел III
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СТАЛИ, ПОДВОДА МЕТАЛЛА И УСТАНОВКИ
ПРИБЫЛЕЙ НА КАЧЕСТВО ОТЛИВОК
101. Н. Б. Г е л ь п е р и н, Образование горячих трещин в стальных отливках. Ве-
стник машиностроения, 1947, № 2, 30,
102. Ю. Л у к а ше в и ч-Д у вав о в а и Р, Г ср Мант, Альбом шлаковых вклю-
чений в стали и других железяк сплавах, изд. НИЙ НКВ, 1939.
*103. Сборник «Физико-химические процессы раскисления стали». Раскисление
стали кремнием в осяовном мартеновском процессе, ОНТИ, 1935, 85.
*104. К. Сине и Ф. Лэйль (С Sims Л F. Dahie), Влияние алюыижя на
свойства средиеуглероднстой литой стали, Trans. AFA, 1938, 65.
105. В. Кармазин и Г. Пухиаревич, К вопросу о раскислении спокойной
стали. Теория и практика металлургии, 1940, № 1, 26.
106. Г. Михеев, Влияние количества н вида 'неметаллических включений ш пла-
стичеккве свойства летал та стального литья Теория и практика металлургия,
1938, № 7/8, 16.
107. С. Скордзневс ки fl, Влияние сульфидных включений в бессемеровской
стали яа ее структуру и механические свойства. Металлург. 1937, № 3. 15.
108. А. Рис (A. R у Легированное стальное литье в теория и практике Кгир-
psclie Mon'atsheft. 1930. IV. 3. Stahl н. Eisen, 1930, 423.
109. P. Джексон (R. J.ickon), Применение радиографии к утучшению литей-
ной техники, J. Iron a. St- Inst. !<М5, I.
110. Г. И. Цыганенко, Отливка форштевней.
Литейное дело. 1937, № 3, 24
-- ------_г__ ............... „„„городскмй. Отливка стальных
„Авалей шаР°аых утлеразмольшдх мельниц. Литейное дело, 1939, № 12, 17
112. С. И. Бернштейн, О сечежя стояков ц фильтровальных решеток в зштни-
козых системах. Литейное дело, 1935. № 6, 37.
43- Н. С. К ре ui но в ск н й, Оттнвка стальных изложниц. Литейное дело, 1938,
No 9
114. Ф. Энон (F. Heron), Нееледоэаиие нескольких основных вопросов заливки
отливок. La Forte, 1939, V. VI, № а VII, VIII. № 4, или в северащеиюи виде:
_ Заливка оттжюк. Foundry Trade Journ., 1940, 239.
115. Ю- А. Нехендзи, Производство стали на некоторых заводах Германии, Ве-
стник металлопромышленности, 1930, № 5. 6.
116. Г. Дм терт, Прирезка литягков в чугунном литье реферат Литейное дело,
1930, № 5, I.
“117 . Р. 3. Резникова н С. В. Русси ян, Расчет элементов липиновой си-
стемы, Литейное дело, 1937. № 12. 8: С. В Русс и я и. Расчет и кавструкцви
лигнитовых систем для чутутвого н стального литья, Ленив дат, 1946.
*118. В. И. Фу и датоу, Техника эалжхи чугуна, ОНТИ. 1935.
119. В. А. Беленький О методах расчета литниковых систем. Литейное дело.
1940, № 1. Ц
120. В. А. Арововач, Выбор ж расчет литвнкоьых систем, ОНТИ. 1938.
121. П. Н. Б я д у л я, Сксфость заливки стального литья. Литейное дело 1940,
№ 3. 2.
122. С. О. Б и дул я, К вопросу о расчете Титниковой системы, Литейное дело,
1935, № 11.
123, Е. А. Синельников, Проект технологического процесса отливки стальных
шестерен я зубчатых венцов с фрезерованным зубом. Литейное дело, 1936,
№ 6, 43.
124. Б. Грей (В. Grey), Боковое питание стальных отливок. О влиянии механизма
затвердевания J. Iron в. Steel Inst.. 1944, И, б; Foundry Trade Journ. 1944. 201.
125. С. Яцвинскнй, Э. Уэллс в С. Финч (S. J az win ski, Е. Wells Л
S. Finch), Подвод металла в пггтяние в стальных отливках. Foundry Тгзбе
Journal, 1945, 221, 229. 245; Новый метод питания в применения к отливкам,
заливаемым в ишюдвнжлью формы, Foundry Trade Journ.. 1945. 269. 293.
126. А. Д. Попов Гвэовые ракоижы я стальных стлиаках. Литейное дело, 1939,
№ 1.
*127. Л. И- Ф а « т а л о в,-Прямеяеняе закрытых 'Прибылей, действующих под атмо-
сферным Давлением, для стильного литья. Бюллетень литейщика. 1945, № 1/2 |2.
128. В. П. Туя к о в, Рациона/= ;г формы прибылей для фасоннсстального литья.
Литейное дело, |934, № 2, 23.
129, Н. В. Вишняков, Влияние методов формовки и конструкции детали па по-
лучеаже здоровой отлгакя, сборжк сФасоиное стальное литье». ЛО ВНИТОЛ.
1940, 94.
130, И. Е. Шуб я С А. К уть ни, Шарообразные прябыим в стальном литье.
Литейное дело, 1941, № 3. 12.
А'квавге*»' Литературы
751
131. В. П. Десивцхий.. Разящ» стали с подкачкой в яарообрйзиые п^ибьАтн.
Литейное дело, 1941, № 3, 16.
132 М. А. Кремер, Определение размеров лвгкоотбийаемых' прибылей нв ста ть-
ном литье. Бюллетень лщ-еймшка 1946, Лэ 11/12. 21.
133. 11 В. Умрихин «г Е. Сухова. Вжяние отепления прибыльной части слит-
ка ма уменьшение усадошой ряиовм|ы Сталь. 1638. № 1. 22.
133а. Г. Н Грише м к о. Электропагрев литейных форм, ОНТИ, 1935, 7
,я4. А. А. Рыжиков и А. Д. Попов, Лепкоотделяемые прибыли (новый’ метод
отливки слитное н деталей/. Литейное дело, 1940. № 7. 8.
135. Е. Г. Га латой. Отливка стальных деталей с легко удалтгеымин ирвб»*л»пг.
Литейное дело, 1941, 7ft 7/8. 39.
136. Д Р. Кононов, Отламывающие* прийнж яа стальных отливках Бюллетень
литейщика, 1944, № 7/8, 39.
137, А. Д. Попов и Б. Н. Щерба чтиво, Стальные литые шестерни. Литейное
дело, 1937, № 1.
138. А. Д. П о п о я Форма м размеры прибылей. ТехСО ЦИТЭИН. 1838, серив 17,
№ 1456.
* 139. Б. Б. Гуляев, Расчет прибылен для стальных отливок. Бюддотеаь питей-
щика. 1946. № 5/6, 17.
Отдел IV
СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК И ВЛИЯНИЕ НА НИХ СОСТАВА СТАЛИ
140. Ю. Нехендзн, Некоторые вопросы стандартов иа стальное литье Литейное
дело, 1935, № 10, 31.
*141. А. А. Б о чв а р, Металловедение, Металлургнздят, 1946, 41.
*142. Ю. А. Нехендзн и А. И. В о т к о в, О влиянии состава Углеродистой стали
фасонных отзивок -на их механвческне свойства. Металлург. 1934, № 5, 17.
143. А. Крафт. Металлургические предпосылки жароупорности ста.чей, Труды кон-
ференции по жароупорна н теплоустойчивым сталям. ОНТИ. 1935, 50.
144. Р. Валле, Механические свойства стальных отливок при низких температу-
рах, реферат. Металлург, 1932, № 10—11. 99.
*145. И. М. Б е счт ро з-в а и и ы й. Физические основа учения t • <ннн металлов,
Оборонгиз, 1941, 24. 1
*146. Д. В. Кон в и саров, Износ металлов, ОНТИ, 1838, 32.
147. И. И. Фейгни, Ваграночный яитифрнкцжжиый чугул. Литейное дало,, 1937.
№ 11.
148. Н, С. Месы к и и. Фврромапмтные сплавы, ОНТИ. 1937, 431.
149. А. С. 3 а йм о в с к и и л В. В. Усов, Металлы и сплавы, в электротехнике.
Госэнергоиздат, 1941 107.
* 150. Б. Г. Лившиц, Высококоэрцнтнвяые сплавы, Металдургиздаг. 1945, 50.
* 151. Г. В. Акимов. Теория и методы исследовеям коррозии металлов^ Изд.
АН СССР, 1945.
* 152- В. И. Архаров, Окисление металлов, Металлургнвдаг, 1945.
153. С Скородвиевсклй. О некоторых причинах, способствующих краежвмы-
костм бессемеровской crew. Литейное дело, № 12, 4.
154. Ю. А. То мн и. Малов бессемероваине Вестник ыеталлопрожышлвннЛсти. 1036,
№ 3, ЮЗ.
15& М. Знаю к я в, Арамтуцииж лтгье на бессемеровской стали. Стаи», 194,1, 190,
156. П. Бардеигойер (Р. В а г d е n h е и е г). Дальнейшее иоечедовання, поче-
му iKHc-ам сталь более склонна к усадочным трещинам, чем основная. Stahl
ti. Eisen, 1927, 1083.
15? М. А К о г а и и Л. И Л е в д Проект стандарта иа фасонное- етйльяое .’uffde
для электромашиностроейня. Литейное дело 1937. № 2, 9.
158. Л. Монахова, Исследование причин поломки стальных «вяйхов рельсопро-
катного стана. Теория я практика ЛеталлурЛти, 1937. 7^ 1, 75.
” 169. Е Грейнер, Сплавы железа с кремнием. ГНТИ Украины. 1936. °33.
160. Д. Херст (J. Hurst), Высококремнистый кислотоупорный чуту*. Foundry
Trade Journ., 1943. 283.
161. В. Е. Васильев и К- И. Ващенко, Металлургия кислотоупорных же-
леэокремнкстых сплавов. Теория и гщактяка металлургии. 1938, /?- 4. 20.
162. К- И. Ващенко, Антжоррознйное и жаростойкое высоколегированное литье,
сборивя «Новое в технологии литейного производства», Мяшгнз. 1940. 60. ’
* 163. С. С. Подопригора, СредиемарганцеааН] конструкционнад. сЪль; ОНТИ,
164. Т. Реффл (Т. Ruffle), Регуля(хжанйе состава й Термической обработки
в отливках из стали с 0.25% С я 1.5% Мп, Foundry Trade Journ.. 1944. 215.
732
J'KdtMreM
* 165. В. А. рлболов и E. Д. Кузьмина, Влияние повышенного скдержавйя
бора на структуру и свойства стали в литом и к&мэом состоят. Труды
ЦНИИ НКТП. 1945, № 1, 41.
166. Ю. А. Нехеидзи, Высоколегированная марганцовая сталь для отливок,
сборник «Третья иаучто техви четкая сессия Лен птижтехиичесжото института»,
1946, 49; см. также- Новая аустенитная марганцовая стыль-ламекятель аткелевой
«емапинтпой стали, сборник докладов на совещании го сталям заменителям,
изд. Спецсталь, 1936. 71.
167- С. Я. Кармазин Высокомаргмщаввстые стаж и фасонные отливки из них.
Качественная era ль, 1935, I, 20.
168. А. Д. Попов, Литье из стали Гадфильда. Литейное дело. 1940, № 1 13
* 169. П А. Гончаров, Производство титья из мергвицЛвисТОй стали. Метлллург-
издат, 1940, 14
170 - Ю. А. Нехеид.и, Сталя-заыеаители для фасонЯого литья, Сборник докла-
дов на совещании по сталям заменителям, изд. Спецсталь, 1936, S7
171 С. Я Кармазин, Высокалегнраватяые никель а люминиевые фасЬнлые от-
ливки, Литейное дело. 1939, № 10/11, 20.
172 К. Ройш (К. Roe я ch), Омэические и химические свойства высоко лес1гроваи
иого хромистого литья. Die Giesserei, 1937, 472; сж также К Кюттиер-
К вопросу о жоррозяйтюй стойкости сплавов железо-хром-углерод, Teclmische
Mitteilun(£en Krupp. 1933, 1. 17.
* 173. А. Джонс, От «теки с содержаяием 16-20% Сг, Е. Тум, Справочная книга
по нержавеющей стали. Металлургиздат, 1940, 249.
174, В. С. Емельянов, Влияние азота на свойства стали, Качествумая стиль,
1935. № 5.
•175. Н. И. Корнилов. Железные сплавы, 1. Сплавы желеэо-хром-а-шмпижй. изд.
АН СССР. 1945, 152.
*176. Ф. Ф. X имущей, Нержавеющие. кислотоупорные и жароупрр»«*е стали,
тюд ред. Н. Н Тимошенко, Металлурги з дат. 1940, 326.
177. Р. Клюке, Влияние добавок марганце до 20% На Структуру и свойства от-
ливок из сплава с 30% Сг, реферат. Металлург. 1938, № И. 140.
178. В В. Кузнецов. Хрономаргаицекремиистые и хромоникетекремгжстые не-
ржавеющие стали. Качественная сталь. 1935. № 7. 5.
179. Д. Гоу и О. Гардер (J. Gow & О. Harder), Балансиров; е состава
литых сплавов типа 25 , хрома и 12% никеля, Trans. Artieric. Soc 1. Melals.
1942, 855.
180. С. С. Некрытый, Прмроднолегкрованиые стальные фасонные отливки. Ли-
тейное дело, 1940, № 6. 24.
181. К. Г Стародубов, Тертческая обработка массивных литых валов из вы-
сокоуглеродистой легировапюй хромом и никелем стали (премированная ВНИТО
металлургов лучший яаучно-исследоватезьскгя работа за 1939 г.). Металлург.
1940, № 8, 23.
•182. В. Кривобок, Структурные состояния хромистых и Ярсмовякетевых сталей
и А. Джойс, Отливки ез стяни 18/8, Е. Тум, Стрелочная книга по нержавею-
щей спада, Металлургаздмт 1940, 23, 331-
183. Д. Дюма (J. Duma), Влияете алюминия яа литую коррозмеустЧвчвую сталь,
Trans. Amerle. Soc. f. Metals 1839, 149.
* 184. Г. Эвери, Э. Кук и Д. Феллоус (Н Avery. ECook Л J Fellows!,
Инженерные свойства жароупоржх сплавов Iron . Steel Division, 1942, 373.
186. Ю. А. Нехеидзи, Новая нержавеющей сталь, стойкая в серной кислоте.
Сталь, 1938. № 10/11.
186. Н. С. К ре ща иовс Щмй, Жидкотекучесть высоксимгяраяаняык сталей тжи
V2A, SiCr, NiCr. Литейное дело. 1934, Ns 2. 7.
187. И. Т. Тевосян, Разливка качественной и высококачественной ста-м им
Металлбюро, 1934.
188. С. Я. Кармазин, Об оттивке бойков из хромоникелевой и хромоволъфраМо
вой сталей, Литейное дето, 1935, № 3, 27.
189. И Поздшщев, К- Цветненко н Б. Фурс. Центробежная отливка зв
готовок для стальных бесшовных труб. Сталь, 1938. № 1, 44.
190- Н. С. Крещановсимй. Провааодстно отливок из жаро- и кислотоупорных-
сталей, Дитейное дело. 1935; № 5, 13 и № 6. 15.
191. М. Т. Андреев, Отливка стальных детален для превецтера. Лмтейаое дело,
1937, № 7, 25.
*192. В. Эрте ль и А, Грютцвер, Быстрорежущие стали. Гоигетеииуртюда
1933, 116.
193. С. А. КазеевиДП Ермошкин. Литой инструмент. Металлург. 1937
№ 2, 78.
194. Т. А. Лебедев и И. А. Ревис. Особенности структуры литого режущего
•инструмента Техиико-информационный бкмыешиь НКТП СССР, 1945. № 3—<,
2. 9.
Указатель литературы
753
195. И Ревис. И. Кватер, В- Артемьев и П. Першин, Литой инстру-
мент, Мэшгнз, 1945. 31.
196. И. Е. Шуб, Производство точных литых деталей (прецизионное лпъе), Тех-
ническая информация НИИ 13, 1946. март.
197. Д. Дюма (J. Duma). Влшвне титана ла некоторые железные и пежелезяые
литейные слпавы, Trans. Am. Soc. I. Mel., 1937, 788-
198. В. H. Лидии, Металлургия чугуна, железа я стал», 1925. т. I. 76. т. 111,381.
199. В. В. Кураев н В. Г. Чеуиашиви, Сталь Дворца Советов, ГОНТИ, 1939.
‘200. К- Гринидж и К. Лориг (С. Greenidge А С. Lorig), Свойства
некоторых ыедесодержаптх литых сталей, Trans. Am. Foundr. As. 1939, № I,
229; см. также M. Алексамдер (M. Alexander), Оливки из медастой
стали, третий отчет Комитета жследоемжй стального литья, J. iron a Steel
Inst.. Spec. Rep. № 23. 1938, «I
201. К. Грниядж, М. Уди К. Грубе (С. Grtenidge, М. Udy Л
К- Grube), Влияние меди е некоторых NE и некоторых низяолегнроважгых
литых сталях, Trans. AFA. 1944. XII, SOI
'202. Г. Коряелнус <Н. Cornelius), Медь в техническом железе (Kupfer
im teclinischen Eisen), изд. J. Springer, 1940. 182.
203. Л-М Мариеибах, Литейное производство йа заводе Форда ОНТИ.
1038. 51.
48 Зак. 79. Ю. А. Нехевдап
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ'
А
Абсорбция (окклюзия) газов 174, 180
Адсорбция газов сталью 475, 179
Азот в стали
влияние ия жидкотекучесть стали 50
— — первичную кристаллизацию 80
- образование аустенита 650
— — кипение (азотное) 650
“з — поглощения 174, 202, 555
— — растворимость 202
— — связывакае алюминием, тита-
ном 203. 727
высокохромиетой 650, 658
хромомарганцевой 659
хромоникелевой 18-8 692
— 12-12 697
— 27-3 656
— 25-2 656
как модификатор 80, 660. 656, 656, 659
удаление 186
Азот, продувка стали 184
Алюминиевая сталь сложного состава
марганцовая, Гадфильда о алюми-
нием 605
мегапир 657
фехраль 657
хромаль 657
хромансиль 590
хромоникелевая 18-8 с алюминием 693
Алюминий в стали
нлиянле на величину зерна 267
— — жаростойкость 535, 693
— жидкотекучесть стали 55,633
— кристаллизацию вторичную
267
— — ликаяцню серы 382
— —- магнитные свойства 529
— — неметаллические включения
229, 377, 380
поверхностные пленки 55
удельный объем 109
усадку 108
— — электросопротивление 526
как модификатор 82, 100
как раскислитель и успокоитель 155,
197, 210, 229, 380, 556, 559, 561,
56»
Б
Бор в стали
влияние его па свойства 401
инструментальной 720
марганцовистой 591
как модификатор 101
Вочнара метод кристаллизации под дав-
леноем 97. 141. 161. 173
Бронесгойкая стадь 677
Быстрорежущая сталь 718
’ Составлен С. М. Окловым
В
Валки прокатные, отливка 662, 675
Валы коленчатые, отливка 18. 446, 737,
742
Ванадиевая сталь
свойства и методы отливки 23; 716
Ванадиевая сталь сложного состава
быстрорежущая 718
маргаицеванадвевая 590
никелехромистованадневая 678
хромовакадиевая 284
Ванадий в стали
влияние на горячие трещины 370, 718
— —• жидкотекучесть 718
— — кристаллизацию 716
— — механические свойства 388
— — прокалгваемость 388
— — усадку 371, 718
кап модификатор 364
как раскислитель 210
Величина верка (см. зерна величина)
Вентиляция формы 70. 209. 212, 434
Видманштеттовая структура в стали 266,
275, 275, 281. 714
Внутренние напряжения (см. напряжения)
Водород в стали 171
аустенитной и ферритной 193
бессемеровской 192
влияние на механическое свойства
199
как причина водородной хрупкости
1199, 201, 556
- — газовых ракоеик 174, 184,2|0
— горячих трешин 300
— красноломкости 199
— получения «дикой стали»
194, 197
— раковистого взлома 201
— роста 194. 197
— образования флокенов 148,
201
меры предохранения от насыщения
205, 582
меры удаления из жидкой стали 181,
1181 193
— — — таердой стали 201
поглощение 174, |92, 194. 209, 555
растворимость 178, 180, 190
формула для определения коицептрн-
ЦИК 177
«Водородная хрупкость* 199. 201, 556
«Водородный отауск» 199, 291
Вольфрам в стали
влкание на жаростойкость 535
— — удельный объем 109
Вольфрамовая сталь сложного состава
быстрорежущая 7-18
медистохромовольфрамовая 740
методы отливки 723
нхкелехромкетая с ванадием 678
Предметный указатель
Вольфрамовая сталь сложного состава
иикелехромистая с вольфрамом
678, 679
хромовольфреиовая 641
хромоникелевая 25-20 с вольфрамом
535
Вынужденная кристаллизация 78. 88
Выпоры в стальной литье 434. 448
Вязкость жидкой стали
кинематическая 47. 51
тинамическаи 47, 51
Гадфильда сталь
заменители 638. 639
методы плавки к отливкн 608, 610
свойства 621, 595. 604
эрозия и кавитацка 539
Газовая ликвация 251
Газовая рубашка в форме 69
Газовые раковины
в кипящей стали 183, 189
в кокильном литье 211, 214, 216
в кремнистой стали 580. 582
влияние на ик образованно азота 203
— — — — влажности форм 209
— — водорода 174. 184.
196, 210
— — газов формы 210
— — газопроницаемости
формы 212
— — жеребеек и холо-
дильников 217
— — жидкотекучести 183
— - конструкции ОТЛИВКИ
217
— подвода металла 213
— скорости заливки
190, 206
меры борьбы 205. 206, 208. 209, 211
212, 213, 215, 216
механизм образования 172 179 196
210. 215 — .
Газопроницаемость форм 70, 212
Газотзорность форм 55, 70, 21!
Газотворные покрытка форм 211
Гчэотворпые смеси 97. 465
Газы в стали
азот (сМ.)
влияние на горячие трещины 301
— — жидкотекучесть 49. 56
— — механическое свойства 55,
172
— — усадку 108
— — усадочные раковины 139. 150
влияние на их содержание влажности
и газотворпых составляющих фор-
мы 209
— — — — метода заливки 206
— — — — метода плавки 187.
203, 205
метода подвода ме-
талла 410. 412» 417
— — — - раскисления 18а
водород (см)
газовые включения, газовые ракови-
ны 171. 174
двуокигь углерода 204
48*
Газы в стали
диффузии 175
кислород 174, 185
кремнистой 580, 582
меры борьбы 20о, 582
окись углерода 204
воглощение 174. 205
связывание алюминием в другими
примесями 185, 197, 203
удаление 56, 179
Гликозем в сталя 185, 226, 230, 377
Гомеопатические добавки (см. модифи-
кация)
Гомогенизации стали (см. диффузионный
отжиг)
Горячие трещины
в кремнистой стали 581
в марганцовистой стали 612, 614
в медистой стали 736, 745
в литых валкех 564
в какелевой стали 635
в хромистой стали 664
в хромоникелевой стали 18-8 370. 710
влияние на их образование газовых
включений 301
— — — — жидкотекучести 299
— — — — конструкции отливкя
508
— — — метода плавки 553
— — — неоднородности со-
става 300
— первичной кристал-
лизации 299
— — — — податливости формы
305
— подвода металла 312,
396, 402, 477, 615
прибылей 313. 477
- прочности стали пря
высоких температу-
рах 301
— - скорости залнвкн
304
— скорости остывания
315
содержания в стали
серы 549,
- — фосфора
552
— - — хрома.
никеля,
марган-
ца, вана-
дия 370
температуропровод-
ности металла 301
- температуры залнвкн
304
усадочных риковяп
300
меры устранения 297, 304. 305
механизм образования 294
температура образования 297
Графитизированная сталь 139. 566
Гребные винты, отливка il64, 708
156
Предметный указатель
И
Дегазация стали (cir. газы в стала, во-
дород в стали)
Дендритная ликвации 243. 248. 254
Дендриты в стали
аустенитной (14% Мп) 250
влияние на горячие трещины 299
— — жидкотекучесть Б7
— — усадочные раковины 149
кристалл Чернова 96
при центробежной заливке и при ш»
вороте формы 255
процесс и условия образования 74,
94
«Дикая» сталь 1S3, 197, 650
Динамическая вязкость стали 47, 51
Динамная сталь 574
Дисперсионное твердение стаяв 264,
290, 727
Диффузионный отжиг стали 249, 270,
281, 629
Диффузии
газов 175
при гомогенизации 281
углерода, фосфора, серы 281
Ж
Жаропрочность 506, 508, 512. 658, 667,
680. 694, 695. 698, 701
Жаростойкость 506. 508, 512, 534—538,
575, 655—659, 666, 680, 691, 693, 694,
697. 698, 700, 703, 704
Жеребейки 217
Жидкая сталь
строение 48
термо-физические коястаяты 40, 62
Жидкотекучесть
влияние на газовые раковины 183
— — горячие трещины 299
— качество литья 45
влияние на нее атмосферы формы 55.
69
— — — вязкости стали 49
— — — газов в металле 49. 58
— —" — газотворнооти формы 70
— интерната затвердевания
57. 359, 579
— — — метода определения 66
— — неметаллических включе-
ний 49, 382
— — перегрева металла 58,
61. 72
плотности, теплоемкости,
теплопроводиости метал-
ла 56
— — — поверхности формы 71
— — — поверхвостного натяже-
ния 52
поверхностных пленок
54
— — — раскисления 50
— — — содержания азота 50
— — — — алюминия 363
— — ванадии 718
— кремния 51. 363, ЗВ1,
578, 691, 697О 703,
741
— — — — марганца 51 606.703
— — — * — меди 363
Жидкотекучесть
влияние на нее -содержания молиб-
дена 703
— — — — никеля 632, 702
— серы 51. 362
сульфидов 362
титана 50, 686. 727.
741
углерода 358, 545.
562
— — — фосфора 363
— — — хрома 382, 660, 702
~ — температуры заливки 58.
истинная к практическая 46. 72. 358
362
«нулевая» 45. 49, 58
понятие 45
проба Крона и Лорига 66
проба Руффа 62
пробы спиральные 64
и-обраэная проба 63, 72
формула для ее определения 59
3
Закись железа в стали 185, 224
Залмика
из ковшей без стопора 413, 554
— — со стопором 66, 413, 415.
425. 459
комбинировавиая, влияние на величи-
ну прибылей 463
— — неметаллические включе-
нии 233
— — — усадочные раковины 150
сверху и сифоном, алияине на вели-
чину прибылей 458
— — — газовые раковявы 407
~г — ~~ — неметаллические
включения 233
- — — первичную кристал-
лизацию 93
~~ ~ —1 усадочные раковявы
150, 403
с поворотом формы 162. 255, 410, 476
Заливки скорость
влияние на горячие трещины 304
— — ликвацию 255
~ — 2з5еГаЛЛВЧескИв вклл>чеиня
90₽ВЯЧНУ1° кРиствллиза*и'о
содержание газов в металле
208
— ~ Усадочную раковину |50. 153.
в центробежном литье 427
для хромоникелевой стали 704
понятие 207
практические данные 208
расчет 416
Заливки температура
ВЛ^е на икут₽евние напряжения
— — газовые раковины 215
— — горячие трещины 304
— — жидкотекучесть 57. 61, 72
- — ликвацию 254
неметаллические включения
Предметный указателе 757
Заливки температура
влияние на первичную кристаллиза-
цию 80. 89
— — скорость охлаждения 38
— — усадку 115
— — усадочную р.лсовнну 137,150
дли медистой стали 741
для хромоникелевой стали 704. 707
Закалка стали 283, 289, 341
•Замороженные» кристаллы 85
Запертые литниковые системы 232. 413,
418. 420, 426, 432
Зародыши кристаллизации
вторичной 262. 266, 281
первичной 78. 81
Затвердевание отлнвок
влияние на er© ход конфигурации
отливки 33
— — — — массы формы 42
— — — - материала формы 28,
38. 39
— приведенной толщи-
ны отлнакл 33
направленное 152, 157, 162, 391,393,
472
одновременное 154, 157, 391. 393, 472
расчет скорости 29
теоретическое рассмотрение 25
Защитная атмосфера в форме 55, 211
Зерна величина в стал»
кремнистой 574, 580
влияние на механические свойства
492, 495, 558
— — г.рокаливаемость 285
влияние на нее добавки алюминия 267
— — — процесса главки 80
— — — скорости охлаждения 276
регулирование 268
формула для определения 84
Зерна регенерация в стали (см регене-
рация зерна)
Зональная лнквкцця 239. .245. 253, 255
Зумпф 406
И
Излом стали
вкутрикристаллитный 493, 507
межкристаллитный 77, 493. 507
раковистый 77, 2QI
черный 570
Износоупориость
влияние на нее структуры и свойств
стали 520
графитизированной стали 566
марганцетитанистой стали 523
никелехромомолибденовой «тали .675
никелехромомаргавцемодибдсновой
стали 677
стали Гадфильда 521. 596, 598
стали Гадфильда с алюминием 606
кронистой ствли 638, 639, 841. 645
хромовакадиевод стали 641
Изотермическзи термообработка 292
Изотермическое превращение аустенита
270. 286. .292
Инокуляция (см. модификация)
Интервал затвердевания 57
Инструмент, отлаака 718
Истинная жидкотекучесть 46. 72, 358,
362
К
Кавитация отливок 537
Кальций в стал! 101. 210, 535
«Карандашные» литниковые системы 69,
313, 402. 459, 582
Карбиды структурносвободные в стали
273.
Квазиизогровия отливок 76. 88, 492
Кинематическая вязкость стали 47
Кивящая сталь 183, 187, 204
Кислая сталь (см. плавка стали)
Кислород в стали 174, 185
Кислотоупораые отливки на сталв
высококремнистой 576, Г>78
выоокохроммстой 655
медистой 630, 740
хромоникелевой 654, 680. 696.
696, 700
Кобальт в стали 715, 716. 722
Кокильное литье
вентиляция формы 212
внутренние напряжения 323, 334
вторичная кристаллизация 279
газовые раковины 214. 215, 216
горячие трещины 315
инструмента 725
истбрия развитая 13. <15
механические свойстаа 103
первичная крнсталлиоиння 88, 103
подогрев форм 210
покрытия формы 211
примеры применения 401, 705
скорость охлаждения и затвердева-
нии металла 28, 39
толщива стенок кокиля 43
усадочные раковины 137. 138. 170
хромоникелевой стали 705
Коленчатые вали, отливка 18, 737, 742
Конструкция отливок
влияние на внутренние напряжении
331, ЗЙ1
— — газовые раковины 217
-t- !<-. горячие трешины 297. 308
— — ликвацию 257
—механические свойства 502
— — неметаллические включения
237
— — усадку 123
—- —• усадочную раковину 154, 167
о связи с. установкой прибылей
471. 480
на кремнистой ствли 582
на марганцовистой сталв 605, 614
Корка литейная, влияние на жаростой-
кость 537
Коррозия 530. 575, 643, 648, 651. 654,
659,678 (см. также кислотоупорные от-
ливда, жаростойкость и жаростойкие
оуяркж щелочноупорные отливки)
ннтеркрнсталлитиая 682. 684. 690,693
Красноломхоеттг стали 199, 301. 369,
547, 744
Кремнезем' в «тали 224, 580
Кремний в стали
влияние № горячие трещины 581
758
ПредЯ^ткый дказаълъ
Кремний в стали
влияние ни жаростойкость 536, 575,
691, 697
жидкотекучесть 5|, 363, 362,
576, 691, 697, 703, 741
— износостойкость 358, 572
— коррозиеустойчивость388, 576
магнитные свойства 574
— механические свойства 571.
573, 578
— обрабатываемость 388, 572
— прокаливаемость 286, 388, 570
— свариваемость 388
теплопроводность 524
удельИый объем ЮТ
усадку 580
фазовые превращения 589.
570. 571. 575
•— —• электросопротивление 526
как раскислитель и успокоитель 186,
191. 226. 556, 559. 596
ликвация 382
низкоуглеродистой 561
Кремнистая сталь
высоколегированная 575
динамнгя 574
газосодержание 582
жаростойкая 575
жидкотекучесть 578
кислотоупорная 576, 578
классифекация 570
конструкции отливок и методы
литья 581
кристаллизации 578
низколегированная 570
обрабатываемость 577
рост 582
среднелегироваиная 574
термообработка 580
трансформаторная. 574
трещнны 580, 58 Г
усадка 581
усадочные ракоанны 137
врозиеустойчивая 577
Кремнистая сталь сложного состав
кремннстомолибдеповая 578
маргавцекремнистая 342, 589
марганцехромокремнистая 590
медисТомарганцякремнистая 734, 736.
741
медиетомарганцекр-мнвстохроыовая
738. 739
никелемедистокремнистая аустенит-
ная 630
никелехромомарганцекремнемолибде-
новая 677
СильхромоДая 575, 657
Кристаллизация вторичная
алияние на иее неметаллических
включений 266
м- — иеодиородтоети состава
270
скорости охлаждении
276, 282
•н- — — состава стали 274, 618
— — термической обрабОткя
280
в никелевой стали 274. 617
в центробежном литье 280
вынужденная ч самопроизвольная 262
да ро дыши 262
Кристаллизация вторичная
понятие 260
Кристаллизация первичная (см. также
.модификация, деикрнты)
влияние на горячие трещнны 299
— — механические свойства 98
алуяике на Кее подвода металла 90
—’ — -j- скорости заливки 90
— - скорости охлаждения 83
- содержания марганка 604
— — - — никеля 274 617. 634
— — — — хрома 660
— — скрытой теплоты кри-
сталлизации 84
- теплопроводности метал-
ла 84
- _ формы 84, 88, 99, 103
в стали быстрорежущей 721
кремнистой 580
никелезой 77. 274. 629, 632
хроманспль 590
хромистой 75, 87, 650. 66»
хромоникелевой 705
хромоникелевой 18 8 75, 87.
99
вынужденная 7Й. 88
дародыши 78. 81
квазиизотрспное строение 76, 88. 492
образование мСжкристайлитяых пле-
нок 98, 221, 228. 270. 282. 492
при встряхинайии 90
— перемешивании 93
— центробежном литье 90, 104
самопроизвольная 78. 88
скорость 84
столбчатое строение (см. транскрн-
сталлнэация)
теория Таммана 78, 83
транс кристаллизация 7(5, 87, 89. 91,
93, 308
Кристаллизация под давлением
по методу Бочвара 97. 141, 161, 173
Критическая скорость заналкм 283,
289, 384
Крона и Лорига проба иа жидкотеку-
честь 66
Легирование стали, общие положении
383, 492, 507, 534. 667
Легирующие элементы, влияние иа фи-
зические И химические свойства 388,
389
Ликвация
влияние Иа вторичную кристаллиза-
цию 270
— — горячие трещины 300
влияние на нее внутренних холодиль-
ников Й7
— •— добавок алюминия 383
— — — — кайьция 383
— — — — Кремния 882
— — — — Марганца 382
Ц* -* - — никеля 382
— — — — серы 382. 383
— — титана 383
— — — — углерода Я82
Предметны# цкаиаУаНо
Ликвкция
влияние ча нее добавок фосфора 382
— — - - хрома 382 ‘
церия 383
— циркония 383
конструкции отладок 2£7
модифекацни 254
прибылей 242, 257, 43?
- - примесей кремния 382
- маргаяци 382
— меди 743
— серы 240, 256, 382
— фосфора 240. 256.
382
— — углерода 240. 256,
382
Г — — снорсстд охлаждения 255
— — — условий заливки 254
в литых валках 565
я слитках 256, 257
в хромоникелевой стали 25-12 6Ж
газовая 25J
дендрнтнзи 243, 248, 254
Зональная 239. 245. 253. 255
карбидная 251
коэфициаят 253
мерм устранения 254. 259, 362. 439
механизм 242
негативная 241
обратная 247
объяснения термина 239
Литейная корка, влияние на жаростой-
ность 537
Литниковые системы (см. также подвоД
металла, прибыли, выпоре, стояли)
в пробах на жидкотекучесть 67
«запертые» 232. 413. 418, 420. 426
-432
как источник образования газовых
включений 206
— — неметаллических включе-
чений 232. 234. 406, 407
карандашные 69. 313, 402 459. 582
расположение 392, 421
расчет 412—416, 425, 426
этажные 68, 153. 408, 475, 709
Литниковые чаши 40?, 433
Ллгье стальное
история развития’ 13
как замена пойовок 16
классификация 24
номенклатура 19
примеры:
автоклав 643
ахтерштевик 14. 20. 313
бандажи 438, 461
берабаны фильтровальные 708
бойки кузнечные 705
буферные Стаканы 405
валки прокатные 662. 675
ВаЛ?42 колеичатые 446, ?37,
гребные винты 164, ТОЙ
изложницы 408
инструмент 718
катки 398
клапаны 476
К0'123 8 2?дагс’н’гые * оаровозвые
колесо гидротурбины 400
Литье стальное
примеры:
корпус дийамо 1681
корпус клапана 452
корпус турбины 21. 4Э4
йрыйГКа клепана 549
котел для отжига 709
ловвеги гндрогурСвни* 662
магниты 632, 635
маховики 402, 456
влиты 2] 4
рама паровоза 23
сальник каророй 214
сектор судового руля 397
слитки 242, 246, 256
снаряды и мины 18, 214, 427
спираль водяной турбпиы 21
стволы орудий 104
стойка домкрата 4Ц
гройикки 473
трубы 4JO
топочная рама паровоза 16
улитка водяной турбины 448
шабот 461
шестерни 403, 428, 439, 476, 480
шкивы 352. 455
штампы 765.
статистические данные по выиусцу 17
М
Магшмт ,(Мак формовочный иатеииал}
40. 169
Маштвые свойства отляжж (см отлив-
w с особыми мегннтными свойства-
ми)
М фганец й- стали
влияние иа горячйе трещины 370
— — жаростойкость 535
— — жиднотекучесть 51, 606, 703
— — коррозионную стойкость 388
— — магнитные свойства 5Й7.529
— — механические' свойстве 388,
583. €12
*— — общбатываемое№ 388
— — первичную крясталЛиМДню
609
—- — поглощение водерола 193
— — прок'аливаемость 286, 388.
548, 591
— — свариваемость 388
— — теплопроводность 524
— — удельный объем 109
— — усадку 108, 114. 371
— — фазовые превращает Б&З,
600, 697
йысокоуглеродиетой 564
низкоуглеродистой 561
как- раскислитель и уеяокяжтеяь 183,
226. 548, 559
как средство, против тересаоптвпети
548 =
лпивацим ‘38ft -*-
Марганцовая сгфгь
высоколегированная ?50
Гадфильда (см. жиДкО?рКучгс'р>) 6Q$
дендритное строение 259
конструкция отливок 605, 614
-крястаялнзадия 6Q9
методы мзго< селения отливок 606
780
Предметный укюател
Марганцовая сталь
низколегированная 585
проквлнваемость 388, 545, 501
среднелегированная 595
стабилыю-аустенжтная 600
термическая обработка 586—594
усадка 298, 372. 610
Марганцовистая сталь сложного состава
марганцеванадневая 590
мерганцекремнисгая 589
марганцемолибдеяовая 251, 298, 372,
593
марганцеитселевая 594
марганцетитаиистая 581
марганцехромистая 589
марганцехромокремнистая 590
марганцехромомолнбдеиовяя 342. 593,
594
марганцовистая с присядкой бора 581
741
медистомарглицовкя 732
медистомаргаииекремяехромовая 738,
739
медистомаргаяцекремннстая 734, 736.
медиетоникелевая 732
медиетохромистня 733. 738
медисгохромоникелевая 734
медисто’фомоникёлемолнбдевовая 734
никелемарганцевая аустенитная 630
никелехромомарПвцекремнемолнбде-
новая 677
«хелехромомарганцемолжбдежожая
677
хромоиаргаицовая аустенктжяя <69
хромомарганцекремнистая аустенит -
ияя 659
хромоникеленая 18-8 о марганцем 691
— 25-12 е марганцем 607
Мегапир
жаростойкость 657
сплав 657
Медистая сталь
высоколегированная 740
горячие трещины 735
дисперсионное твердение 727, 730
для клапане» 739
для коленчатых валов 737, 742
жццкотенучесть 727, 736. 739, 740
жррродаеус^ейчняяе 73р
методы изготовления- литья 739, 741
низколегированная 730
среднелегнрованияя 737
усадке 743
Медистая cTaiii сложного состава
меджсижре1ижстая 733, 738
меднстомарганцевая 732
медистомаргаяцекремнехроиовяж 738,
739
йедистоыарганцекремижстжя 734. 736,
741
меднстокнкелевая 732
медистохромовольфрамовая 740
меднстохромоникелевая 734
пикелехромистая 8-16 с молибденом,
медью, титаном 700 с хромом
(мирская) 740
Медь в стали
вляаяиа на дисперсионное твердение
727
7». — жидкотекучесть 727, 7,46. 740
— ксдоэто 388, 790, тзз
Медь н стали
влияние на прохалмваемость 286, 388,
734
I — — свариваемость 388
— — усадку 371
ликвация 743
Межкристаллитный излом 55, 77, 493,
507
Металлостетический напор, определение
426
Механические свойстве отливок
влияние ни них конструкции отлнвок
502
надрезов 497, 501. 513
— — — размера зерна 492, 49а.
510
— — — структуры стали 493,
497. 499, 505. 508, 510
классификация 485
образцы 495, 499
при низких температурах 505, 512,
558, 625. 717
при повышенных и высоких темпера-
турах 505 (см. также жаропроч-
ность)
пробные влаики 487
сопротивление изгибу статическому
498
— ползучемн 509
— разрыву статическому 491
— удару 485, 497, 498. 513
— усталости 485, 499
твердость 515
циклическая виэкость 504
Модификации стали
азотом 60, 658. 659
алюминием ilOl, 610
ванадием 364, 677
влияние на ликвацию 254
— — механические свойства 100
- — размер зерна 81. 88, 364
ьмучрениимн холодильниками 82
грайналом 592
кальцием ICH
марганцовой, Гадфнльда 610
определение 81
скликокальцием 100
титаном 80. 101, 364. 610, 686, 69t.
697. 700. 726
хромоелюминневой 658
хромоникелевой 705
цирконием 82. 101
Молибден в стали
алиянне на горячие трешины 370
— — жидкотекучесть 703, 7J5
— — нзностойкость 388
— — коррозионную стойкость 388
— -- механические свойства 388
— — о^рабатынаеыость 388
— — прокалнваемость 388
— — свариваемость 388
1 — усадку 371, 716
— — фазовые превращения 667
Молибденовая сталь
неметаллические включения 269
отливка корпуса турбины 21
свойства и изготоаление отлнвок 511,
J 712
термообработка 342
Молибденовая сталь сложного состава
быстрорежущая 718
р кремнистомолнбдеиовая 578
ПредмепыА указатель 761
Молибденовая сталь сложного состава
марганцемолибдеяовая 298, 373, 593
марганцехромомолибдеяовая 342. 594
молнбденоианадневвя 715
никелемолибденовая 622
иикелсхромомолибденовая 286, 674
никелехромистая 8-18 с молибденом,
медью, титаном 700
хромвмолибденовая 285, 640
хромоникелевая 25-5, 25-9, 25-12 с
молибденом 697. 700
Нагрев отливок прн термообработке 337
Напор мега л лосгатическкй 68, 183. 424
Направленное затвердевай» 458, 157,
162. 391, 393, 472
Напряжения в отливках
влияние ва их образование конструк
дни отливок 331. 351, 582
— — — — механической обра-
ботки 347
— — — — свойств стали 330
г-, -в-. —— скорости охлажде-
ния 332. 356
—• - состава стали 350,
372, 373, 374. 546
. — — - — температуры валивки
331
— —- термической обработ-
ки 337
нз кремнистой стали 581
нз никелевой стали 653
из' хромистой стала 665
классификация 316
методы измерения 347
микроскопические и субмнкроскопн-
чески* 335
снятие 289, 343
теория образования ЗЮ
термические 324
усадочные 334
фазовые 332
Наследственность 80
Немагнитная сталь 527. S99, 602, 630
Неметаллические включения
влияние на вторичную кристаллиза-
цию 286, 266
— — горячие трешицы 301
- — жидкотекучесть 49, 50. 382
— — излом 55
t метали ческне свойства Й0
— — первичную кристаллизацию
79, 82
влияние иа их образование добавпн
алюминия 377
— — добавки сялвксжаль-
ция 381
— конструкция отливок
237
метода плавки 374,
555
— — подводя металла 234,
406, 410. 417
— — — — раскисления 224,226,
228, 381
— — — — температуры залмаки
235
— — — — углерода 546
Неметаллические включения
влияние на их образование формы
208, 231, 447
в молибденовой стали 269
в слитках 241
всплывание 47, 56, 221, 224, 226,235
в хромистой стали 655
глинозем 155, 226. 229, 231, 377
закись железа 185, 224
закись марганца 608
классификация 219, 222. 223, 228
кремнезем 185, 224, 580
меры устранения 221, 231. 234
размер 223, 224
силикаты 224, 229. 241, 377
смачивание металла 221
сульфиды 226, 229, 265, 267. 269,
271. 377, 537. 744
т-ра плавленая 226, 226, 226, 227
форма 222. 225,228
Неоднородность состава (см. ликвация)
Нержавеющая сталь (см коррозия)
Никелевая сталь
высоколегированная аустенитная 629
высокочепфоеаниая мяртевситна
274. 628
жидкотекучесть 632
кавитация 539
кислотоупорная 625. 630
классификация 619
кристаллизация первичная 77. 274,
629, 632
— вторичная 274, 617
методы латья 635
низколегированная 539. 6|9
прокалниаемость 618
со специальными магнитными свой-
стаамн 627, 630, 632. 635
среднелегнрованная 625
термообработки 618, 629
щелочеупорная 625. 628
Никелевая сталь сложного состава
марганценияелевая Г.94
медястоникелевая 732
медистохромошшелевая 734
никелеалюминиевая 631
никелеванадиевая 624
никелемарганцовая аустенитная 630
викелемаргаяцоаястая 101
хромоникелевая (см.)
Никелехромистая сталь
бронестойкая 677
высоколегированная 679
горячие трещины 710
для прокатных валков 675
жаропрочность 508
жаростойкая 508. 680, 700, 703
жидкотекучесть Z01
износостойкая 678
кислотоупорная 680, 700
классификации 666. 679
кокильное литье 705, 707
ликвации 256
методы литья 704
низколегированная 509, 668
сложного состава 677. 700. 702
срелиелегировапвая 678
термообработка 670, 675
усадка 709
центробежное литье 705
щелочеупорная 678
762
Предметный цказатёль
Никель в стали
влияние на внутреннее напряжения
374
— — горячие трещины 370, 635
—жидкотекучесть 632, 702
износостойкость 388. 678
-т — коррозионную стойкость 388
— - кристаллизацию первичную
77, 274, 629, 632
- п. — вторичную 274, 617
— магнитные свойства 529
—1 — механические свойства 388,
493, 507. 513, 618
— — обрабатываемость 388.
— — поглощение водорода 193
— — прока ливаемость 588, 618,
625
— । свариваемость 388
Нккелехромистан стать
влияние из теплопроводность 524
- удельный объем 109
— усадку Iil4, 371
— усадочные раионши 634
‘ -11 фазовые превращения 517.
632, 667, 683, 696
Ниобий в стали 686
Нитриды в стали 185, 803. 937, 686
Нихром 567. 701
НорманиззцИИ огали 288, 341
«Нулевая» жидкотекучесть 45. 49 97
Ньютона заной охлаждения1 32
О
Обратная ликвация 2547
Обрабатываемость отливок 388, 517.
566. 597, 603
Одновременное затвердевание 154, 157.
313, 391. 393, 399, 472
Окись алюминия в стали (см. ТлтПтозем)
Окись углерода в стали (74,
Основная сталь (см главка стали)
Отжиг стали 288. 341. 501
Отливки с особым» магнитными свой-
стаеми 526, 562, 599. 602, 627. 630,
631
Огпускнаи хрупкость 291 551, 556, 674.
679
Охлаждение оглйвок
влияние на него КбИфигурацян от-
ливки 33
— — — «приведенной» тол Дины
35
— — — температуры залятк 38
— — —’ формы 28. 38, 39, 42
прн термообработке 269, 340
П
Перегрев жидкой стали (см. залавки
температура)
Пережог стали 281
Переохлаждение жидкой, стали 79, 83
Питание отливок (см. ладвод металла)
Питатели зтажиые 89, 153, 599. 408.
475, 709
Плавка стали -для фасонного литья
бессемеровская 14, 24. 64, 376, 553
в электропечи кислая 24. 194. 381,
554
Плавка стали для фасонного литья
в Электропечи основная 24, 194. 200,
554
индукционная 14. 24
мартеновская кислая 13. 24 376» 553
— основная 13, 24. 194, 37В, 380,
553
триплекс-процесс 14
Пленки Межкристаллитные 98, 100, 221.
228, 261, 270, 282, 492
— поверхностные
— — на жидкой стали 52. 55, 54,
55, 709, 724
— — на твердой стали 531, 534
Поверхностной натяжение жидких ме-
таллов 52
НодатЛивоЬТь формы 306
Подвод металла
влияние на внутренние напряжении
332
— газовые включения 113
— горячие трешпны 312. 396,
402
— кристаллизацию первичную
90
— неметаллические включения
234. 406, 407, 410, 417
— — усадочные раковины 150
для кремнистой стали 581, 582
марганцовой стали Гадфильда
612, 615
— направлеимого затвердевания 152,
157, 162, 391. 393, 472
иякелехромнотой стали 706
— одновременного затвердевания
154, 313, 391. 393, 399, 472
— отливок инструмента 724
-*» хромистой стали 664
—« центробежного лнтья 427
комбинированный 410, 463
общие принципы 67. 391
рассредоточенный 313, 393, 399.706
сверху 88. 154, 234, 403, 426, 458
сифонный 88, 154, 234, 403, 407. 409.
426, 458, 708
тангенциальный 234, 314, 4Q6
Подогрев форм 39, 89, 210, 217. 314.356
Ползучесть стали 509, 510
Практическая жидкотекучесть 46> 72,
358, 362
Прибыли
боковые 444, 581, fill
верхние 434
влияние на горячие трещины 313, 477
в отливках для стали
кремнистой 581
марганцовой, Гадфильда 6U
никелехромистой 706
использующие атмосферное в газовое
давление 160, 404, 447, 464
как мера прогни ликвацпн 242, 257
кольцевые 437
.комбинированная устваовки верхних
rf‘боковых 449
«егкоотбиваемые 469
отепление 441. 46з
подпитка 459
подогрев 466
потайные 160, 404. 410, 447
расчет 48!
центробежные 454
Предметный указатель
763
Пригар формы 53, к?5. 237, 547, 614
Припуски иа обработку 238, 475, 473.
662
Природнолегщтовапнан сталь 673
Пробные планки 487
Прькаливаемость стиля 287. 273, 283,
386, 388, 544
Разливка стали (см также заливка)
стопорная 66. 413ь 415, 525. 455
через иосмн компа 413, 554
Раковины (см. газовые раковины, уса-
дочные раковины)
Раскисление стали 50, 185, 210. 226.230
Регенерация зерна в стали 281, 283
Рекристаллизация 2S2, 508
Рост стали 194. 197
Руффа проба на жидкотекучесть 62
Рыхлость
межкристаллитная (71
усадочная 146, 150, 157. 393, 403»
405. 412
Самопроизвольная кристяллнз^щкя 78,
Свариваемость стали, влияние пмйксей
388
Селен в стали 6€Ё
Сера в стали
влияние на горячив трещины 301 549.
554, 559
— — жидкотекучесть 51, 363
— — магнитные свойстве 527
— — обрабатываемость 388.. 519
-- сталь Гадфнльда 596
- углеродистую 547. 559
хромоиикедев. ю 18-8 692
усгдку 114
ликвация 240, 256. 382
Сигма-физа в хромсодержащих сталях
649, 659, 695
Силикаты в стали 224, 229, 241. 377
Силихокальций, добавка в сталь 100,
Сильхромоввя сталь 5/5, 657
жаростойкость ее 657
Ситовидная пористость 210
Скорость всплыванва включений (фор-
мула для определения) 47
Скорость заливки (см. заливки скорость)
Скорость затвердевания (см. затвердева-
ние отливок)
Скорость охлаждения (см. охлаждение
отливок)
Смачивание металла неметаллическими
включениями 220
Смачивание формы металлом. 53, 54
Снаряды, отливка 18, 427
Спокойная сталь 187, 204
Стальное литье (см. литье стальное)
Стволы орудий, отливка 104
Столбчатое строение стали (с* транс-
кристалпнтация)
Стояки
выбор высоты 88
коленчатые 409
питающие 452
Строение жидкой стали 48
Сульфиды в стали 226. 229, 265. 267.269.
271, 377, 381, 537, 547, 548, 744
Сухие формы для стали 31. 36. 44, 69.
123
Сфероидизация карбидов 263, 282. 289,
510, 519, 527, 558
Сырые формы для стали 16, 70. 123.
209
Твердость отливок 515, 524, 656
Температура заливки (см. Залинин тем-
пература)
Температуропроводность стали 29. 526
Теория кристаллизации 7В, 83
Теплоемкость стали 524
Теплопроводность стали 524
Термическая обработка отливок
иликиие на образование внутренних
нинряжейий 337
водородный отпуск 199, 291
гомогенизация 249, 270. 281. 283. 629
лнсперсиоваое твердение 290
для снятия напряжений 269, 343
заводские режимы 342
закялка 283, 289
изотермическая 292
классификации 288
критическая скорость закалки 283,
289. 384
новые методы 15
охлаждение 282, 340
прокаливаемость 267, 273. 283, 386
888, 544
регенерация зерна 281, 283
сфероидизация карбидов 283, 282,
289, 519. 527. 558
«улучшение» 291. 340, 558
Титан в стали
влияние на жидкотекучесть St. 686.
727, 741
— — нягерквисталлитную корро-
зию 686
— — ликвацию серы 383
как модификатор 82. 101. 364, 610,
686, 691, 697. 700, 726
— успокоитель 203, 725
Титанистая сталь 726
Титаянстая сталь сложного составе
марганцетитанистая 591
никелехромисгая 8-18 с молибденом,
медью и титаном 700
хромоникелйжи 18-8 с тхтжом 686,
691
хромоникелевая 25-2. 25-9, 25-12,
с титаном 697, 700
Торможение усадки ]17, 123
Точниского метод обработки жидкой
стали шлаком 226
Транскрясталлизация 76. 87. 89, 91 93
101. 308
Трещины горячие (см. горичве трещины)
Трещины холодные 372, 558, 580, 581.
611, 616. 665. 710
Турбулентное заполнение формы 51,61.
764
Предметный указатель
Углерод в стали
влияние на внутренние напряжения
372, 546
- — гадовые включения 546
- Горячие трещины 367, 546,
558
— жаростойкость S37
— жидкотекучесть 358. 545,
580. 703
— — нзносоупррность 388
— — коррозиеуспойчиэость 388,
532. 685
магнитные свойства 527
- механические свойства 388
516, 541. 552, 558, 560, 565
584
- неметаллические включения
546
— - обрабатываемость 388. 520
гт- -п образование видманштеттовой
структуры 275
— — пригар 547
т-j — прокаливаемость 388
— -свариваемость 388
- *• —1 тепловроводность 525
— удельный объем 109
— - усадку 108. ПО, III, 365,545
— электросопротивление 524
— — эрозию 537
дикзадш) 240. 256, 382
Углеродистая сталь (< 0,2% С)
кавитация 539
литейные свойства 48. 562
магнитные свойств» 562
механические свойства 560
применение 559—562
Углеродистая сталь (0.20—0.45% С)
влияние на нее алюминия 556
— — — кремния 556
— марганца 547
-т- -г- серы 547
' — — — фосфора 551
горячие трещины 546
дендритное строение 250
жидкотекучесть 545
механические свойства 541- 557
усадка 371
усадочные раковины 545
эрозия 539
Углеродистая сталь (>0,45% С}
графитизированная 566
деидритиое строение 250
литейные свойстве 567
механические свойства 563
отливка валков 564
первичная кристаллизация 91, 95, 96,
250
применение 563
прокаливаемость 284
термическая обработка 557
усадка 109. 110. 145, 119, 124. 136
Ударная вязкость 485. 498, 513
Удельный объем стали, влияние приме-
сей 109
«Улучшение» стали 291. 341, 558
U-обрааная проба на жидкотекучесть
Уравнение теплопроводности 29
Усадка стали
влияние на нее алюминия 108
— — — ванадия 371. 718
— — — газов 108
— -j. марганца 108. 114. 371
— — — меди 371
— — —- механического торможе-
жения 117
— молибдена 371
— никеля 114, 371
— •*- серы 114
— — термического торможения
123
-- углерода 108, НО, III,
114. 115. 365
— — фязоных превращений
112
— — — формы IilZ
— — — хрома 108, 114, 371
в жидком состоянии 108, 136, 137.
36Б
в твердом состоянии ПО, 117
литейная 407, 117. 124
марганцовой 610
марганцемолибдевовой 298. 371
медистой 744
понятие 105
при затвердевании 109, 136
стесненная 295, 371
углеродистой 109, 115, 119, 124,1136,
371, 567
физический смысл 108
хромоникелевой 111. 710
Усадочная рыхлость 4 46, 150. 157, 393,
. 403, 405, 412
Усадочные раковины
в кокильном литье 170
влияние на их образование газон |39,
150
— - - жидкотекучести 150
— — — конструкции отливки
154
- массы отливкн 139
- метода подвода ме-
талла 150, 393
— — метода установки
прибылей 435
— скорости заливки 153
— состава металла 149.
365, 645
— температуры залнвкн
137, 150
— усадки в жидком со-
стоянии 137
усадив в твердом со-
стоянии 139
— г — — — усадки при затвер-
девании 139
внешний вид 173
в отливках валков 565
вторичные 148, 480
в хромоникелевой стали 709
в центробежном литье 170
меры борьбы 144, 147—170 (см так-
же: прибыли, холодильники на-
правленное затвердевание)
микро 97. 142
объем 132. 136. М9
Предметный указатель
?65
Усадочные раковины
теория образования 125
форма и положение 142, 153
Осадочные ребра 311, 401. 403
Усталость 435. 499. 557, 622
Фехраль 657
жаростойкость его 657
Фильтровальные сетки 407
Флокены 171. 198
Формовочные материалы специальные
бентонит 15
гаэотворные 97, 465
кварц 15
магнезит 05, 40, 169
покрытия кокиля 21I
цемент 15
циркон 15
шамот 40
Фосфор в стали
нлиннке на горячие трещины 552
- жидкотекучесть 363
— коррозионную стойкость 388
— — магнитные свойства 527
— — механические свойства 388.
551
- — обрабатываемость 388. 519
- — отпускную хрупкость 551
— удельный объем 109
— — усадку 108, 114
диффузия 281
как легирующая примесь 388, 56!
ликвация 240, 256, 382
марганцовой, Гадфильда 596
механизм влияния на сталь 554
хромоникелевой >18-8 692
X
Хладноломкость стали 551
Холодильники
внутренние 82, 163, 217. 257 315,399,
469, 705
наружные 163. 315, 388. 399, 477. 566.
610
Холодные трещины 372, 566. 580. 581.
611, 616, 665, 710
Холодостойкая сталь 505. 512. 558. 625,
717
Хромаль 657
жаростойкость его 657
Хромаясиль 590
Хром в стали
влияние на горячие трещиы 370
— — жаропрочность 512
— — жаростойкость 535, 656
— — жидкотекучесть 382. 660, 70?
— — корроэнеустойчявость 388
631. 646, 654
— — кристаллизацию 660
— — механические свойства 388.
493. 637
— — неметаллические включения
382
— — образование поверхностной
пленки 535, 660
— — поглощение водорода 193
— - прокаливаемом, 286, 388. 637
— — свариваемость 388
Хром в стала
влияние на теплорроэодвость' 524
— — удельный объем 109
— — усадку 108, 114, 371. 6&3
— — фаговые, превращения 636,
649, 168, 683. 696
Хромистая сталь г ,,
водородостойкая 64?
высоколегированная 50. 7S. 10Q, 203.
382, 646, 664
вязкость в жидком состоянии .48
горячие тредршы -661 ,
жидкотекучесть 50. .382, 655, 660
износостойкая 638. 639, 641 645
-классификация 636, 648
коррозйеустойчивая (см. коррозии)
крвсталлизация первичная 75. 87. 660
ледебуритная 655 662
мартенситная 651. 662
методы литья 663. 665
неметаллические включения 382
низколегированная 638
среднелегированнаи (5% Сг) СЛ2
термообработка 285
убадкз 111. 663
феррито-карбидная 655, 662
холодные трещины 665
эрозия 539
Хромистая сталь сложного гостам
быстрорежущая 718
марганцехромвстая 5S9
маргаицехромокремяистая (хроман-
силь) 590
маргянцехромомалибденомя S4Jfc -Я94
мегапир 657
медистохромовнпелевая 734
медистохромовольфрамовая 740
никелехромистая (см.)
никелехромомотибденовая 269, 674
ннкелехромовольфрамовая 678
ннкейехромомаргалцемолнбдеаовая
никелехромомаргакцекремвемолибде-
иовая 677
сильхромовая 657
хромаль 657
Хромистая сталь сложного сосгапн
хромованадиевая 284. 641
хромовольфрамовая 641, 545, 665
хромомаргаяцоеая 659
хромомарганцекремквстая 659
хромомолибденовая 285, 640, 646
Хромоникелевая сталь
высоколегированная 370, 654, 679
горячие трещины 370, 710
жеропрочная 694, 698
жаростойкая 535, 680, 694, 698. 703
жидкотекучесть 50, 701
кавитация 539
кислотоупорная 654. 680, 696, 698,
700
классификация 659, 679
кокильное литье 705
кристаллизация, первичная 75, 87. 89.
705
катоды литья 701
низколегированная 668
природнолегированиая 673
Хромоникелевая сталь сложного состава
хромоникелевольфрамовая 679
хромоникелемолибденовая 679
766
Предметный указатель
Хромоникелевая сталь сложного гостам
18-8 75, 87. 99. Ill, М3, 370, 539.680,
70% 708, 710
18-8 с алюминием 693
18-8 с кремнием 691
18-8 с молибденом 693
20-24 703
25-5 89. 698. 702
25-9 698
25-12 694
25-20 698
Термообработка 683
усадка 111, ИЗ, 7D9
центробежное литье 705, 707
шарикоподшипниковая 285
Хрупкость при отпуске 291. 551, 566.
674. 679
Д
Цементация в литейной форме 561
Цементация стали 559
Центробежное литье
инструмента 724
кристаллизация иервячыак 90. 104
— вторичная 280
ликвация 255
механические свойства 104
определение 27
подвод металла 427
скорость вращения ж валявкж 427
скорость охлаждения отливки 27
хромоникелевой стали 705. 707
Церий в стали 383
Циклическая вязкость стаж 504
Цирконий в стали
влияние на ликвацию 383
как ыоднфиалТор 82. 101. 697
как раскислитель 228. 230
Цирконий, формовочный материал 15
Ч
Чайниковые ковши 14
Чернова кристалл 95
«Черно ломкость» 570
Ш
Шестерни, отливка 353, 402, 428» 439,
476, 480
Шкивы отливка 352, 455
Шлакоуловители 406
Штампы, отливка 705
Щ
Щелевндные питатели 475
Шелочноупорнаи сталь 625, 628, 678.
740
Э
Электрические свойства отливок 526
Электротехнические отливки (см. маг-
нитные свойства, дниамная сталь}
Эроэиеустойчнвые отливки и вроэня 537.
577
Этажные литниковые системы 68, 153,
399, 408, 475, 709
ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ
Ст₽«а Строка Напечатано Должно быть
132 8-я сверху = И'‘,(1-«Рт-<г.с) = V111 '1 — „ г > = *3 1* °1'т гтт7
134 6-я сверху 1* -6P-S *
156 9-я снизу L. см г, см
168 Рис. 101, ось ординат 15 и. 11 4. 1”» R, 16. -’4, 32. 40
289 7-я снизу В. П. Володина В. 1. Вологдина
305 13-я снизу 25 мнв. 2,-5 мин,
330 4-я сверху к, R, kt kz k, Л2 *2 = 7?!
•05 29-я снизу (рнс_ 264, а и 264,6) (рис 264,(7 и 264.Л)
40(1 16-я снизу (см. рнс. 264. в) (см. рис. 264, а,
433 27-я сверху для незамкнутых систем для любых замкнутых систем
527 24-я сверху В, 1300 гаусс вг 13000 гаусс
532 21-я сверху разность потенциалов ее карбидов разность потенциалов ее и карбидов
635 Подпись под рис. 444 станочная заливка стопочная заливка
724 Рнс. 510 (сложной конструкции сифо- ном—справа и более простой сверху—слева) (сложной конструкции сифо- ном—слева и бо iee простой сверху—справа)
735 Табл. 10w, графа 6, 10-я сверху 900 в -|- 150 в 900в-|-650в
Зак. • оф. I । А. Нехендзи .Стальное лить»