Рідина чавуну

Висока рідина плинність чавуну, як показали сучасні дослідження, визначають не тільки його здатність заповнювати форму і відтворювати найтонші її обриси, але також, сприяє хорошому живленню виливків і безперешкодному видаленню газів з металу, що зменшує небезпеку отримання пороків (усадкових і газових раковин, пористості, гарячих тріщин тощо. буд.).

Експериментально рідина визначається вимірюванням шляху, що проходить металом у формі (рис. 77). Аналітичне визначення жидкотекучести дуже складно, оскільки залежить від багатьох чинників: фізичних властивостей металу, умов теплопередачі, конструкції виливки, технології форм тощо. буд. Тому формули, запропоновані визначення рідкотекучості, мають наближений і якісний характер. Наприклад, формула Ю. А. Нехендзи в дещо зміненому вигляді представляється так:

(73)

Де v – середня швидкість руху металу у формі, t м/сек; τ – час течії; R - наведена товщина виливка або проби на рідину.

Мал. 77. Проби на рідину.

а – спіраль; б – проба; в – брусок; г - гребінець; д – пластини.

d – уд. вага металу, г/см 3; k - коефіцієнт тепловіддачі, кал/см/сек °З; с - теплоємність металу, кал/2 °С; tж - t0 - перегрів над температурою нульової плинності; m - відносна кількість твердої фази, при якому настає нульова плинність; I - прихована теплота кристалізації, кал/г; tм - tф - змінна різниця температур між металом і формою; k і k1 - коефіцієнти пропорційності.

Як очевидно з формули (73), жидкотекучость визначається переважно умовами теплообміну між металами і формою. Зміна фізичних властивостей рідкого чавуну, його в'язкості таповерхневого натягу, значно менше впливає на рідину, ніж умови теплопередачі. Динамічна в'язкість чавуну, як і більшості інших металів, порівняно мало відрізняється від в'язкості води, але значно відрізняється від в'язкості шлаків:

Це призводить до відповідного збільшення числа (критерію) Peйнольдса:

Re = v/в = 4 R v/в (74)

де v – середня швидкість руху металу в каналі; у – коефіцієнт кінематичної в'язкості; D - діаметр круглого каналу або, в загальному вигляді, гідравлічний радіус (4R)1.

Зі збільшенням числа Рейнольдса пов'язане зменшення втрат під час руху металу. Таким чином, зменшення коефіцієнтів в'язкості збільшує, за інших рівних умов, число Рейнольдса і підвищує рідину чавуну. Однак це повною мірою справедливо, головним чином, для ламінарного потоку, який практично ніколи не здійснюється при русі чавуну у формі.

Справді, ламінарний потік, як відомо, можливий при Re 3 , τ - поверхневий натяг, прийнятий рівним 1000 дин/см

1 г/див. Для звичайних товщин виливків додатковий напір не відіграє, отже, значної ролі, і тільки при заповненні гострих граней або кутів високий поверхневий натяг може уявити велику перешкоду. Істотний вплив у цьому відношенні може зманювати металом стінок форми і стрижнів, що визначається силами взаємодії між чавуном і формувальною сумішшю. Як правило, чавун не змочує стінок форми, але за наявності розчинних оксидів починається тоді позитивна взаємодія між чавуном і формою, тобто настає явище змочування. Воно сприяє заповненню гострих граней і кутів, але три слід побоюватися, щоб при зростанні сил взаємодіїміж металом та формою не розпочалися відповідні хімічні реакції, які сприяють утворенню пригару.

Таким чином, вплив поверхневого натягу на рідину чавуну дуже обмежений. Набагато більше значення мають оксидні плівки або включення в чавуні, що представляють серйозні перешкоди для течії металу.

У середньому можна прийняти, що при підвищенні температури заливка на 10 °, довжина спіралі перетином 50 мм збільшується на 4 см. Така залежність між рідиною і температурою підтверджується більшістю досліджень. При цьому в деяких випадках, як вперше показав Ю. А. Нехеідзі, виявляється закономірна тенденція до зменшення впливу температури в міру збільшення перегріву (рис. 80, крива 2).

Зі зменшенням температури заливання рідина падає. Це особливо помітно при зниженні температури нижче за ліквідус внаслідок виділення твердої фази в інтервалі кристалізації. З тієї ж причини падає рідина плинність чавуну при температурах, близьких до ліквідусу, в результаті утворення зародків на основі коливання щільності і температур в рідкому чавуні.

Мал. 80. Вплив температури заливки на моторошний чавун.

1 – Гіршович; 2 - Нехеїдзі та Хахалін; 3 - Циглер; 4 – Ендрю.

б) Вплив складу чавуну. Дослідження А. А. Бочвара та ін ясно довели зв'язок між рідиннотекучістю сплаву і його положенням на діаграмі стану. Максимальна рідина плинність чавуну при постійному перегріві над ліквідусом (справжня рідинна плинність за термінологією Ю, А. Нехендзи) відповідає евтектичному складу. Така залежність пояснюється характером первинної кристалізації. Чавун з великим інтервалом затвердіння схильний до більш розвиненої дендритної кристалізації. Що утворюються настінках каналу і всередині рухомого струменя чавуну первинного аустеніту зменшують рідинутекучість металу.

Крім того, вони сприяють більш інтенсивному тепловідводу. Тому достатньо вже 10 - 20% твердої фази, щоб перебіг чавуну стало неможливим, тоді як у евтектичному чавуні значення коефіцієнта т у формулі (73) досягає 30%. У зв'язку з цим маловуглецевий чавун, розташований близько до кордону між сталлю і чавуном (близько 2,0% С), характеризується мінімальною істинною рідиною. Навпаки, евтектичний чавун відрізняється найбільшою справжньою рідиною. Тим більше, отже, велика так звана практична рідинна текучість евтектичного чавуну (рідкотекучість при постійній температурі), так як з наближенням до евтектичного складу температура ліквідусу знижується і відносний перегрів над ліквідусом збільшується. Тому багато досліджень показують, що вуглець, кремній, фосфор і марганець підвищують практичну рідинну текучість до евтектичного чавуну і знижують її в евтектичному чавуні (рис. 81). Помилково думати, що з підвищення жидкотекучести можна безмежно збільшувати концентрації вуглецю, кремнію і фосфору. Оптимальна рідина плинність виходить при евтектичному складі. Понад евтектичного вмісту вуглецю, кремнію і фосфору рідина падає.

Мал. 81. Вплив вуглецю, кремнію, фосфору та марганцю на практичну рідину плинність чавуну.

Слід зазначити, що зі збільшенням вмісту кремнію в чавуні спостерігаються два максимуми (0,3 і 0.75%) і два мінімуми (0,5 і 0,95%) на кривих практичної рідинної плинності (рис. 81). Ці аномалії не отримали ще належного пояснення та потребують підтвердження. При дуже високому вмісті кремнію (6-18%) рідина чавуну знижується.внаслідок утворення великої кількості включень і заспівали у чавуні. Все ж таки при евтектичному складі і цей чавун має ще досить гарну рідину, що забезпечує заповнення порівняно тонкостінних виливків.

Вплив марганцю аналогічний впливу кремнію і фосфору, але значно менший за інтенсивністю. За наявності високого вмісту сірки марганець, утворюючи, різко знижує рідину плинність чавуну, що призводить до великого шлюбу з недоливів і спаїв.

Відносно впливу сірки на рідкотекучість маломарганцевистого чавуну існує мало систематичних досліджень. Практичні спостереження та деякі літературні дані переконливо свідчать про підвищення в'язкості та зниження рідини плинності чавуну зі збільшенням вмісту сірки понад 0,18%.

Відомості про вплив легуючих елементів на рідину чавуну надзвичайно мізерні і обмежуються, головним чином, якісною оцінкою. Дослідження П. Г. Петрова встановили, що нікель не надає помітного впливу на рідину. На противагу нікелю, мідь діє на рідину чавуну явно позитивно. Хром же знижує рідину, особливо при вмісті понад 1%.

Цей вплив хрому пояснюється підвищенням температури ліквідусу в хромовому чавуні та утворенням оксидних плівок. Також несприятливо діє молібден, ванадій, алюміній та ін. Однак при малих концентраціях вплив цих елементів на рідину чавуну мало помітно.

в) Вплив рідкого стану чавуну. Рідкий стан чавуну також впливає на його рідину. Так, наприклад, деякі дослідження показують, що зі збільшенням температури перегріву чавуну рідина його підвищується навіть у тому випадку, коли температура заливки залишається без зміни. Поясненняцього явища слід шукати у розчиненні різного роду мікроскопічних та субмікроскопічних твердих фаз (у тому числі графіту) при збільшенні перегріву чавуну, що призводить до підвищення рідини. Отже, температура перегріву чавуну діє у тому напрямі, як і температура заливки.

Рис.82. Вплив температури перегріву та заливання чавуну на рідину.

1 - температура перегріву 1650 температура заливки 1540; 2 - температура перегріву 1540 температура заливки 1540; 3 - температура перегріву 1540; температура заливки 1430; 4 - температура перегріву 1430 температура заливки 1430.

З тієї ж причини зміна, підвищуючи в'язкість рідкого чавуну, дещо знижує його рідину. Наприклад, у деяких дослідженнях було виявлено, що при присадці довжина спіралі при вимірюванні рідинної плутанини зменшилася з 62 до 46 см. З іншого боку, присадка соди або складних модифікаторів збільшує рідину, якщо при цьому не відбувається зниження температури. Це пояснюється очищенням металу від включення завдяки утворенню легкоплавких з'єднань.

Ці дані, проте, не можна як постійні. При зміні умов плавки змінюється і рідина чавуну. Будь-яке збільшення кількості газів та включень, а також укрупнення виділень графіту в шихтових матеріалах, зменшують рідину. Так само і багаторазовий переплав чавуну у вагранці, як показали П. П. Берг і Н. В. Димитрієв, може призвести до зменшення його рідини внаслідок насичення металу газами та включеннями:

З тієї ж причини збільшення вмісту сталі в шихті зменшує рідину чавуну навіть у тому випадку, коли склад металу (судячи з звичайного хімічного аналізу) залишається без зміни. Навпаки,плавка на деревокутовому, а також на спеціально перегрітому в рідкому стані чавуні підвищує рідину.

Згідно з дослідженнями Ю. А. Шульте на заводі "Комунар" присадка руди в електропіч для створення окисного характеру шлаків з метою ошлакування включень кремнезему в металі підвищує рідину і необхідна для гарного заповнення тонкостінних виливків.

Мал. 83. Вплив вологості та вмісту вугілля у формувальній суміші на рідинутекучість малокремнистого чавуну.

Сприятливий вплив невеликих добавок вологи та вугілля пояснюється створенням парової плі газової сорочки між металом та стінками форми. З цієї ж причини, як показали В.І.Фундатор і М.М. Левін, рідина плинність підвищується при пофарбованій графітом формі, при додаванні мазуту (до 2%) у формувальну суміш і при застосуванні припилів. При великій же вологості формувальної суміші або високому вмісті в ній газ відчини їх речовин рідина чавуну різко знижується внаслідок рясного пароутворення, що не тільки прискорює охолодження чавуну, але і підвищує опір його руху у формі.

Склад формувальних сумішей впливає також на поверхневий натяг чавуну та здатність його давати гострі грані на виливках. У цьому відношенні виявляються корисними органічні добавки всякого роду, внаслідок чого формування в стрижнях дає хороше заповнення тонких перерізів і ясні контури на виливках.

Рідина може бути значно підвищена також шляхом застосування високих тисків, як це має місце при литті під тиском. У цьому випадку хороше заповнення форми та отримання ясних контурів забезпечується і при зниженій температурі заливки, у тому числі навіть в інтервалі кристалізації.

Таким чином, рідина плинність чавуну є функцієюбагатьох змінних, що характеризують метал, форму та умови заливання. Зважаючи на складність цієї залежності, вона не піддається поки точному математичному розрахунку. Тому для кожної виливки в цих умовах доводиться підбирати склад чавуну, температуру заливки та конструкцію литникової системи для забезпечення заповнення форми. На основі досвіду та практичних міркувань можна, наприклад, рекомендувати: