CC BY
11
УДК 621. 74. 046
Дан Л.А.
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ СТАЛЬНЫХ АРМИРУЮЩИХ ВСТАВОК ЗАЛИТЫХ В ТЕЛО ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК
Среди передовых технологий, служащих ресурсосбережению, технологии биметаллического и композиционного литья наиболее доступны, экономичны и легкореализуемы.
При формировании переходной зоны в биметаллических и композиционных изделиях, полученных заливкой расплава на твердую заготовку, решающее значение имеют: отношение массы расплава к массе и площади твердой заготовки, температура контактной поверхности и градиент концентрации основных элементов твердого и жидкого металлов [ 1, 2, 3]. В литературе основное внимание уделено структурным превращениям в жидком металле при его затвердевании и охлаждении на твердой подложке. Однако, не менее важное значение для свойств композиционной и биметаллической отливки имеет структура металла - основы после полного ее охлаждения.
Целью настоящей работы было изучение изменения микроструктуры стальных армирующих вставок различного диаметра в теле отливок из серого доэвтектического чугуна.
В литейном цехе Азовского судоремонтного завода (г. Мариуполь) изготовили чугунные армированные отливки. Химический состав ваграночного чугуна, % мае.: С - 3,3; Мп - 0,34; Si - 1,17; Р - 0,083; S - 0,097. Цилиндрические отливки имели размеры: диаметр 60, высоту 300 мм и массу 6,1 кг. В формы вдоль продольной оси, перед заливкой расплавом размещали армирующие вставки из малоуглеродистой стали. Диаметр вставок, dB, был 4, 5, 6, 8 и 10 мм. Процент массы вставок от массы отливок - 0,16; 0,25; 0,36;. 0,65; 1,01, соответственно. Отношение объема расплава к площади контакта его с твердой вставкой (V/S), было, соответственно: 0,666; 0,528; 0,438; 0,324; 0,255 м3/м2, а к площади контакта с формой ( V / S<j, ) ~ 8,4 • Ю-4 м3/м2. Формы заливали сверху расплавом при температуре ~ 1250 °С. Во всех опытах стальные вставки не расплавлялись, а лишь сваривались с залитым чугуном.
Из отливок вырезали поперечные темплеты, шлифовали, полировали и травили их 3% спиртовым раствором HN03. Металлографические исследования проводили на микроскопе МИМ - 7.
На рисунке 1 показана микроструктура стальной вставки диаметром 4 мм вблизи границы сплавления ее с чугуном. На исследуемом участке структура стали представляет непрерывный ряд твердых растворов углерода в железе различной концентрации. При этом периферическая область вставки, граничащая с чугуном, соответствует заэвтектоидной стали (~ 1,2 % С). Явно выражена цементитная сетка. Ширина этой области равняется 0,2 - 0,3 мм. Далее следует зона с перлитной структурой эвтектоидной стали (~ 0,8 % С) шириной ~ 0,1 мм. Эта зона плавно переходит к основной структуре доэвтек-тоидной малоуглеродистой стали. Общая глубина проникновения углерода из чугуна в сталь во всех опытах равнялась ~ 0,7 мм. .
' щ
х 100
(чугун в верхней части снимка) Рис. 1. микроструктура стальной вставки вблизи границы сплавления ее с чугуном
Практический и теоретический интерес представлял расчет параметров диффузии углерода из расплава чугуна в сталь.
Предваряя расчет, следует обратить внимание на сходство условий рассматриваемого эксперимента с условиями плавления стального лома в жидком чугуне ванны сталеплавильного агрегата [4, 5, 6]. Диффузионный режим плавления лома, как показали авторы [4, 5, 6], имеет место при температурах расплава - 1300 °С. В результате его протекания наблюдается интенсивная диффузия углерода из жидкого металла в твердый. Микроструктура стали у поверхности контакта с чугуном, приведенная автором [6], аналогична представленной на рис. 1.
С другой стороны, малый процент массы холодильников и расположение их по центру отливок указывают на то, что тепловые условия определяются тепловым взаимодействием расплава и формы и описываются зависимостями, предложенными автором [7]. При этом тепло снятия перегрева расплава, его кристаллизации, охлаждения отливки расходуется на нагрев вставки, аккумулируется формой и выделяется в окружающую среду. Суммарное время, х, снятия перегрева расплава, кристаллизации и охлаждения системы до Ьхл, соответствующее времени диффузии углерода, равно:
2
^•рт-мЧ-иК
(1)
из-ь-в-^-^
где Ь ф-С фРф коэффициент тепловой активности формы
Дж/(м2час17? К);
/.кр. - теплопроводность материала формы, Дж/мчасград; Сф. - удельная теплоемкость материала формы, Дж/кгград; РФ. - плотность формы, кг/м3; • Сж. - удельная теплоемкость расплава, Дж/кгград; р* - плотность жидкого металла, кг/м3; Ст. - удельная теплоемкость твердого чугуна, Дж/кгград; рг. - плотность твердого чугуна, кг/м3; 1-ял. - температура жидког о металла при заливке, °С; 1кр. - средняя температура в интервале кристаллизации, °С; Ь - удельная теплота кристаллизации расплава, Дж/кг; 1ф - температура формы, °С. Выбор температуры Ьхл = Ас1(900 °С) обусловлен возможностью протекания диффузии углерода в у - железе, т.к. а - железо почти не растворяет углерод.
Постоянные, входящие в уравнение (1), имеют следующие числовые значения [7]: Сж = 0,557 кДж/кгград; Ст. = 0,595 кДж/кгград; рт. = 7,2 ■ 103 кг/м3; -р*. = 6,9 ■ 103 кг/м3; Ъ = 104 кДжДм^час-К); Ь«. = 1250 °С; I кр. = 1175 °С; и. = 20 °С.
После подстановки числовых значений в выражение (1) получили уравнение:
х = 714,9 (V/ в») Я,часГ , (2)
По формуле (2) рассчитали величину х . т =518 с. Для определения коэффициента диффузии по металлографическим
данным воспользовались методикой, приведенной авторами [8]. При этом в качестве расчетной взяли зависимость:
С
2—=1-егП, (3)
С
где С - концентрация диффундирующего вещества на глубине х; С = 0,8 %;
Со - концентрация диффундирующего вещества на поверхности при х = 0; Со = 3,3 %;
erf Z =
(4)
2*[Ё)т
Подставив численные значения величин, входящих в уравнения (3), (4) и найдя по таблице [8] величину Ъ, решили уравнение (4) относительно Б. Среднее значение эффективного коэффициента диффузии, Б, равно 1,0410-5 см2/с.
Полученное значение О сравнили с приведенными в работе [6] величинами. Для этого построили график 1п 0= Г (^,)по данным авторов [6] и нанесли на него результат проведенного эксперимента ( рис.2 ). Величина уС^
для условий опыта была 7,4210 4 К1. Как видно из рис. 2, экспериментальные данные хорошо согласуются с литературными.
U е,« tfi е.р я/ '/г-'"',*"
Рис. 2 Температурная зависимость коэффициентов диффузии при растворении стали в железоуглеродистом расплаве.
• - данные [ 6 ]; о - данные автора.
ВЫВОДЫ
При введении стальных армирующих вставок в чугунные отливки происходит интенсивное науглероживание их поверхности. Эффективный коэффициент диффузии углерода в исследованном интервале температур равен 1,04 • Ю-5 см2/с.
Перечень ссылок
1. Снежно А.А., Костенко Г.Д., Ульшин В.И. Формирование переходного слоя в биметаллических отливках сталь - чугун. // Литье биметаллических изделий. - Киев, 1976. - С. 26 - 32. - (Сб. науч. тр./АН УССР. ИПЛ).
2. Костенко Г.Д., Снежно А.А., Улъшин В.И. Влияние температурных параметров на процесс растворения стали в жидком чугуне // Литье биметаллических изделий. -Киев, 1976. - С. 32 - 39. - (Сб. научн. тр. / АН УССР. ИПЛ).
3. Скребцов А.М., Дан ДА., Павлюк Б.А. Формирование переходной зоны в литом биметалле на основе чугунов разных составов // Теория и практика процессов получения биметаллических и многослойных отливок. - Киев, 1987. - С.31 -35. - (Сб. научн. тр./ АН УССР. ИПЛ).
4. Скребцов А. М. Об особенностях кинетики плавления лома в промышленных агрегатах выплавки стали // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1989, № 2. - С. 19-23.
5. Меджибожский М.Я. Основы термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов. - Киев: Вища школа, 1986. - С. 219 -233.
6. Булгаков Г.В., Явойский В.И., Григорьев В.И. К вопросу о кинетике плавления железа в расплаве чугуна // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1969. - № 11. - С. 28 - 31.
7. ВейникА.И. Теория затвердевания отливки. - М.: Машгиз, 1960. - 435 С.
8. Геририкен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. - М.: Физматгиз, 1960. - 564 с.
