Д.т.н. Тен Э.Б., Асеев А.В.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия

Влияние интенсивности затвердевания на структуру высоколегированного алюминиевого чугуна ЧЮ22Ш

Количество включений графита в чугуне, при прочих равных условиях, определяется интенсивностью его охлаждения, которая зависит от материала формы и толщины стенки отливки, а в пределах одной и той же отливки – также и от расстояния от поверхности её контакта с литейной формой. По мере увеличения интенсивности охлаждения отливки возрастает линейная скорость её затвердевания U_Л. При этом при литье нелегированных чугунов объемная доля графита сначала уменьшается, а затем его образование окончательно подавляется, и на отливках формируется отбеленный слой (Рис. 1) [1].

Рис. 1. Зависимость объемной доли ледебурита от линейной скорости затвердевания отливки из нелегированного чугуна толщиной 20 мм в форме с холодильником.

При линейной скорости затвердевания U_Л ≤ 0,02 мм/с чугун затвердевает без признаков отбела, каковым является наличие ледебурита Q_Л. С увеличением U_Л объемная доля ледебурита Q_Л возрастает по экспоненциальной зависимости и при U_Л ≥ 0,1-0,2 мм/с чугун становится полностью белым.

В связи с этим в работе изучали аналогичные закономерности при литье высоколегированного жаростойкого алюминиевого чугуна (%: ~ 2 % С, ~ 1,5 % Si, ~ 22 % Al, ≤ 0,8 Mn, ≤ 0,03 S, ≤ 0,2 P). Для этого в одной песчаной форме через общий стояк отливали две ступенчатые пробы (Рис. 2). При этом для создания различных условий охлаждения отливок в песчаной форме и, соответственно, разной линейной скорости затвердевания U_Л отливали ступеньки толщиной 5, 10, 20 и 40 мм. Для имитации получения отливок в металлической форме в одной из проб применяли нижний холодильник.

Рис. 2. Ступенчатая проба, имитирующая формирование отливок разной толщины в песчаной и металлической формах.

Каждую ступенчатую пробу распиливали вдоль продольной оси, затем из центральной части ступенек готовили металлографические шлифы. На каждом шлифе с подовой стороны образцов методом цифровой фотографии фиксировали структуру чугуна на участках шириной 2,5 мм. Затем цифровые фотоснимки обрабатывали с использованием программы «ImageTool 3.0».

На рис. 3 приведены результаты определения объёмной доли графита в различных сечениях отливки (цифры на кривых – толщина отливки в миллиметрах). Как видно, объемная доля графита минимальна в наружных сечениях и достигает максимума в зоне смыкания фронтов кристаллизации с нижней и верхней поверхности. Возрастание объемной доли графита в сечениях отливок по мере удаления от поверхности охлаждения обусловлено убыванием линейной скорости затвердевания U_Л.

Рис. 3. Распределение объемной доли графита в сечениях отливок, полученных в песчаной форме без холодильника (а) и с холодильником (б).

Значения U_Л,i на различном расстоянии от поверхности отливки определяли путем решения задачи теплообмена отливки и формы численным конечно-разностным методом. Метод позволяет для любого интервала времени Δτ_i определить прирост толщины затвердевшего слоя металла Δδ_i и затем рассчитать линейную скорость U_{Л, i} = Δδ_i / Δτ_i.

Полученные результаты, приведенные на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Зависимости объёмной доли графита от линейной скорости затвердевания отливок в песчаных формах (без холодильника).

Рис. 5. Зависимости объёмной доли графита от линейной скорости затвердевания отливок в формах с холодильником

Как видно, зависимость объёмной доли графита от линейной скорости распространения фронта кристаллизации в отливке носит гиперболический характер. Математической обработкой экспериментальных данных получили для обоих вариантов литья обобщенные зависимости объемной доли графита V_Г (%) от линейной скорости распространения фронта кристаллизации U_Л (м/с). Так, при литье в песчаную и металлическую форму они соответственно имеют вид:

V_{Г, П} = 1,5751 ∙ U_Л ^-0,296 (R² = 0,93).

V_{Г, М} = 1,7704 ∙ U_Л ^-0,365 (R² = 0,90).

Таким образом, алюминиевые чугуны, в отличие от нелегированных серых чугунов, не склонны к отбеливанию. С увеличением линейной скорости затвердевания количество графита уменьшается по гиперболической зависимости. При этом при любой предельно высокой реально достижимой линейной скорости затвердевания формирование графита в структуре чугуна не прекращается.

Литература:

1 Тен Э.Б., Коль О.А., Громова Н.В. Исследование количественной связи параметров отбела чугуна с линейной скоростью его затвердевания // Известия вузов. Черная металлургия. 2010, № 5. С. 51-54.