14.3. Производство ферросплавов

К числу доменных ферросплавов относятся ферромарганец, зеркальный чугун и ферросилиций с содержанием кремния не более 15% В таблице 14.1 приведен состав доменных ферросплавов.

Доменный ферромарганец по содержанию марганца подразделяют на две марки: Мн5 и Мн6, а по содержанию фосфора - на два класса. Зеркальный чугун по содержанию марганца делят на марки 341, 342 и 343. Ферросилиций классифицируют на две марки по содержанию кремния. Кроме того, в домен­ных печах иногда выплавляют феррохром и феррофосфор.

В последние годы объем производства доменных ферросплавов непре­рывно сокращался, гак как его себестоимость выше, а качество ниже, чем у ферросплавов, получаемых в электропечах. При выплавке ферромарганца про­изводительность печи снижается более чем в три раза, а расход кокса возрас­тает в 3-4 раза по сравнению с выплавкой передельного чугуна. Для успешного восстановления марганца основность шлака должна быть не менее 1,35-1,5. Шлаки с такой основностью очень вязки и неустойчивы и вызывают частые расстройства хода и серьезные неполадки в работе печи. В связи с перечислен­ными выше недостатками выплавка ферросплавов в доменных печах к насто­ящему времени практически прекращена.

14.4. Продукты доменной плавки и их использование

14.4.1. Чугун

Передельный чугун подразделяют на группы, классы, категории и степе­ни в зависимости от содержания кремния, марганца, фосфора, серы и мышья­ка (табл. 14.2).

Кроме приведенной стандартизации передельного чугуна, на каждом металлургическом предприятии существуют технические условия и кондиции на чугун, служащие основанием для взаиморасчетов между доменными и ста­леплавильными цехами.

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в твердом состоянии отправляют на машиностроительные заводы и другим потребителям, где для отливки деталей машин его вторично подвергают рас­плавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7. Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы (табл. 14.3).

14.4.2. Разновидности чугунов и их использование в промышленности

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочнос­ти и износостойкости чугуны, выплавляемые в доменных печах и получаемые в вагранках или индукционных печах, получили широкое распространение в машиностроении и других отраслях промышленности.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в чугунах, различают белые, серые, высокопрочные чугуны, чугуны с вермикулярным графитом и ковкие* чугуны.

Высокопрочные чугуны и чугуны с вермикулярным графитом являются разновидностью серых, но из-за высоких механических свойств их выделяют в особые группы.

Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связан­ном состоянии в виде цементита Fe₃C. Согласно диаграмме состояния Fe-Fe₃C белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Из-за большого количества цементита они обладают высокой твердо­стью (450-550 НВ) и хрупкостью, что не позволяет их использовать для изго­товления деталей машин. Из них изготовляют прокатные валки, лемехи плу­гов, тормозные колодки и другие износостойкие детали.

В промышленности широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых весь углерод или его часть находится в виде графита. Гра­фит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость реза­нием, а также высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэф­фициента трения.

Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита. Структура и свойства серых чугунов определяются их химическим составом и скоростью охлаждения при получении отливок. Чем выше содержание кремния, ниже содержание марганца и меньше скорость охлаждения, тем больше выделится углерода в виде графита, способствуя более высоким прочностным характеристикам литой детали. С увеличением скорости охлаждения возрастает количество химически связанного углерода, содержащегося в сером чугуне. При выборе скорости охлаждения принимают во внимание толщину стенки отливки - чем она больше, тем меньше скорость охлаждения и полнее протекает процесс графитизации.

По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелеги­рованные) и легированные. Обычные серые чугуны - сплавы сложного соста­ва, содержащие основные элементы Fe, С, Si и постоянные примеси Mn, P и S. Содержание этих элементов в серых чугунах колеблется в следующих преде­лах, %: 2,2-3,7 С; 1-3 Si; 0,2-1,1 Mn; 0,02-0,3 Р и 0,02-0,15 S. В небольших количествах могут содержаться Cr, Ni и Си, которые попадают в чугун из же­лезорудных материалов. Почти все эти элементы влияют на условия графитизации, количество графитных включений, структуру металлической основы и, как следствие, свойства чугунов.

Углерод оказывает определяющее влияние на качество чугунов, так как от его содержания зависит количество графита и литейные свойства. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна. По этой причине максимальное содержание углерода огра­ничивается доэвтектической концентрацией. В то же время снижение его со­держания отрицательно сказывается на жидкотекучести и, следовательно, на литейных свойствах чугунов. Нижний предел углерода принимают для тол­стостенных отливок, верхний - для тонкостенных.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием; способству­ет выделению графита в процессе затвердевания чугунов и разложению выде­лившегося цементита.

Марганец затрудняет графитизацию чугунов, несколько улучшает их механические свойства, особенно в тонкостенных отливках.

Сера - вредная примесь. Она ухудшает механические и литейные свой­ства чугунов: понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склон­ность к образованию трещин.

Фосфор сообщает металлу хрупкость, поэтому ответственные детали отливают из малофосфористого чугуна. В литых чугунных деталях содержа­ние фосфора ограничивают 0,3%. Фосфор в количестве до 0,3% растворяет­ся в феррите. При большей концентрации он образует с железом и углеро­дом «фосфидную» эвтектику. Она имеет низкую температуру плавления (950 °С), что увеличивает жидкотекучесть чугунов и позволяет их исполь­зовать для художественного литья. Повышенное содержание фосфора допуска­ется в отливках, от которых требуется высокая износостойкость (до 0,7% Р), а также используемых для художественного литья (до 1% Р).

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металличес­кой основы и, главным образом, от количества, формы и размеров графитных включений. Решающее влияние графита обусловлено тем, что его пластинки, прочность которых ничтожно мала, действуют как надрезы или трещины, про­низывающие металлическую основу и ослабляющие ее. При растяжении (наи­более жестком виде нагружения) по концам графитных включений легко фор­мируются очаги разрушения. При изгибе статическая прочность серых чугу­нов в два раза выше, чем при растяжении, а при сжатии - в четыре раза. Проч­ность при сжатии и твердость определяются, в основном, структурой метал­лической основы чугунов.

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение (в мегапаскалях) временного сопротивления при растяжении (табл. 14.4).

Прочность чугуна существенно зависит от толщины стенки отливки. Ука­занное в марке значение σ_в соответствует отливкам с толщиной стенки 15 мм. При увеличении толщины стенки от 15 до 150 мм прочность и твердость чугу­на уменьшаются почти в два раза.

Ферритно-перлитные серые чугуны СЧ 20, СЧ 25 применяют для дета­лей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины различ­ных станков, зубчатые колеса и другие отливки.

Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ 30, СЧ 35 обладают более высокими механическими свойствами и используются для изготовле­ния деталей, работающих в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гиль­зы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и др. Чугуны этих марок обладают наибольшей герметичностью, что позволяет изготавливать из них корпуса насосов, компрессоров, арматуры для пневмо- и гидроприводов.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие (дополнительно содержат Cr, A1), жаропрочные (Сг, Ni, Mo). Применение находят также немагнитные, хромоникелевые чугуны с аустенитной структурой.

Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке. Исполь­зуют низкий отжиг (-560 °С) для снятия внутренних напряжений и стабилиза­ции размеров, нормализацию или закалку с отпуском для повышения механи­ческих свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других деталей отдельных двигателей автомобилей перлитные чугуны подвергают азотированию.

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровид­ную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%. Ввиду того, что модифицирование чугунов чистым магнием сопровождается сильным пироэффектом, чистый магний за­меняют лигатурами (например, сплавом магния и никеля).

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав, %: 3,0-3,6 С; 1,1-2,9 Si; 0,3-0,7 Мn; до 0,02 S и до 0,1 Р. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным. Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита; допускается до 20% перлита. Структура перлитного чугуна - сорбитообразный или пластинчатый перлит и шаровидный графит; допускается до 20% феррита.

Шаровидный графит - менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый, поэтому он меньше снижает механические свойства металли­ческой основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой проч­ностью и некоторой пластичностью. Марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшенное в 10 раз значение его вре­менного сопротивления (см. табл. 14.4).

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эф­фективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них изготов­ляют оборудование прокатных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверса пресса, шабот ковочного молота) и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок: закалку и отпуск при 500-600°С для повы­шения прочности; отжиг, способствующий сфероидизации перлита, для уве­личения пластичности.

Чугуны с вермикулярным графитом. Структура этих чугунов форми­руется под действием комплексного модификатора, содержащего магний и редкоземельные металлы. Графит приобретает шаровидную (до 40%) и вермикулярную - в виде мелких тонких прожилок - форму.

После модифицирования эти чугуны содержат, %: 3,1-3,8 С; 2,0-3,0 Si; 0,2-1,0 Мn; до 0,025 S; 0,08 Р.

Чугуны с вермикулярным графитом производят четырех марок: ЧВГ 30; ЧВГ 35; ЧВГ 40; ЧВГ 45 (табл. 14.4). Число в марке обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом зани­мают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугуна-ми. Они прочнее серых чугунов, особенно при циклических нагрузках; предел выносливости σ_-1 составляет 140 МПа у ЧВГ 30 и 190 МПа у ЧВГ 45. Механи­ческие свойства этих чугунов в меньшей степени зависят от массы отливок. Они отличаются хорошей теплопроводностью (40-50 Вт/(м∙К)), что обеспечи­вает их стойкость к теплосменам.

Чугуны с вермикулярным графитом заменяют серые чугуны в отливках, подвергаемых циклическим нагрузкам и частым теплосменам. Из них отливают блоки цилиндров, поршни, гильзы, крышки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, а также изложницы и кокили. При введении в состав чугунов до 1,2% Ni и 0,4% Мо они хорошо противостоят изнашиванию и кавитации.

Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. По этой при­чине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит, в от­личие от пластинчатого, меньше снижает механические свойства металличес­кой основы, вследствие чего ковкие чугуны по сравнению с серыми обладают более высокой прочностью и пластичностью.

Отливки из белых чугунов, подвергаемые отжигу на ковкие чугуны, из­готовляют тонкостенными. Они не должны иметь сечение более 50 мм, иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит, и чугун становится непригодным для отжига. По этой же причине исходные белые чугуны имеют пониженное содержание углерода и кремния. Их химический состав следующий, %: 2,4-2,9 С; 1,0-1,6 Si; 0,2-1,0 Мn; до 0,2 S и до 0,18 Р.

Отсутствие литейных напряжений, которые полностью снимаются во время отжига, компактная форма и изолированность графитных включений обусловливают высокие механические свойства ковких чугунов. Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ и числами, первое из которых указывает умень­шенное в 10 раз значение σ_в, второе - значение δ. Из табл. 14.4 следует, что ферритные чугуны имеют более высокую пластичность, а перлитные - более высокие прочность и твердость.

Ковкие чугуны нашли широкое применение в сельскохозяйственном, ав­томобильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно- и дизелестроении. Из них изготовляют детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакоперемен­ные нагрузки. Большая плотность отливок позволяет делать из ковкого чугуна детали водо- и газопроводных установок, а хорошие литейные свойства ис­ходного белого чугуна - производить отливки сложной формы.

Недостаток ковких чугунов - повышенная по сравнению с остальными чугунами стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.