ТКМ

созданы коксовые вагранки закрытого типа, в которых производится полная очистка и дожи­ гание газов.

Плавка чугуна в тигельных индукционных печах промышленной частоты имеет ряд преимуществ: возможность получения точного химического состава, низкий угар элементов (это особенно важно при выплавке легированного чугуна), высокий перегрев металла, возмож­ ность использования в шихте большого количества стальных отходов и стружки.

При получении высокопрочного чугуна плавку ведут в дуговых электрических печах, обеспечивающих возможность проведения металлургических процессов в восстановительной и нейтральной атмосфере и высокую производительность. Недостаток этих печей – низкий КПД при перегреве, значительный шум, выделение дыма при работе, большой угар элементов.

Наиболее совершенным и эффективным процессом является дуплекс процесс. При этом процессе получают чугун в двух последовательно работающих плавильных агрегатах: в первом расплавляют шихту, а во втором жидкий чугун подвергается температурно­временной обработке, и при необходимости проводится доводка химического состава. В качестве пер­ вичных агрегатов обычно используют вагранку или индукционную тигельную печь, а вторич­ ного – канальную индукционную, тигельную или дуговую печь.

Жидкий металл доставляется к собранным формам в разливочных ковшах, выполнен­ ных из листовой стали. Внутренняя полость ковшей футеруется глиняной огнеупорной обмаз­ кой или огнеупорным кирпичом.

Сталь – универсальный материал для литья. Стальные отливки классифицируют по способу выплавки, химическому составу, структуре и назначению. Различают пять классов сталей для промышленного литья:

малоуглеродистые (с содержанием углерода менее 0,2%);

среднеуглеродистые (0,2­0,5 % углерода); высокоуглеродистые (более 0,5 % углерода);

низколегированные (менее 8 % легирующих элементов); высоколегированные (более 8 % легирующих элементов).

Наибольшее применение в конструкциях машин получили среднеуглеродистые стали. Судовые отливки выполняют из углеродистых и легированных сталей с содержанием углерода не более 0,60 %. При необходимости изготовления литосварной конструкции в литейной ста­ ли углерода не должно быть более 0,17­0,20 %. Снижение его содержания обеспечивает сва­ риваемость материала отливки, но отрицательно сказывается на литейных свойствах стали, поскольку мягкая сталь склонна к горячему трещинообразованию, возникновению неплотно­ стей, газовых раковин. Целесообразный верхний предел содержания углерода для судострои­ тельной углеродистой литейной стали равен 0,45 %.

На механические свойства стали положительно влияет Mn. Он же действует как рас­ кислитель и обезвреживает серу, которая вызывает у отливок красноломкость и горячие тре­ щины. Содержание Mn в составе литейной стали желательно поддерживать на уровне 0,8 %, а количество S ограничивать 0,05 %. Для устранения газовых пузырей и раковин литейная сталь должна быть спокойной выплавки. Поэтому в ее состав вводят не менее 0,2 % Si и Al, ограни­ чивая его остаточное содержание до 0,05 %.

51

Малые количества Al, а также Ti обеспечивают, кроме того, мелкозернистую структу­ ру металла. Содержание фосфора ограничивается в пределах 0,04­0,06 % в зависимости от процесса выплавки стали (основного или кислого) и группы качества отливки.

Конструкционные легированные стали отличаются от углеродистых повышенными прочностными, физическими и химическими свойствами, например, высокой стойкостью в условиях морской воды и в других средах. Большинство легированных сталей обеспечивает одинаковую структуру и равномерные механические свойства по всему поперечному сечению отливок. Высоколегированные стали со специальными свойствами по ГОСТ 977­88 применя­ ются для изготовления отливок из коррозионно­стойкой, жаростойкой, жаропрочной, износо­ стойкой и кавитационно­стойкой сталей. Для криогенной техники и оборудования (машин), работающего в районах Крайнего Севера, литые детали изготавливают из специально разрабо­ танных хладостойких и износостойких сталей, позволяющих эксплуатировать технику при температуре до ­60°С.

Для изготовления литых изделий, работающих при значительных ударных нагрузках, например винтов ледокола, эффективно применение сталей, легированных Ni и Cr. При со­ держании в стали 3 % Ni и 1 % Cr ударная вязкость возрастает в сравнении с углеродистой сталью в два раза. Для штевней ряда судов и ковшей землечерпалок требуется высокая изно­ состойкость, что достигается за счет увеличения количества Mn до 1,5­2 %.

Сведения о назначении и общая характеристика углеродистых и легированных литей­ ных сталей приведены в табл. 12 и 13.

Для отливок контролируемыми показателями являются: внешний вид, размеры, хими­ ческий состав и механические свойства.

Литые стали по своим свойствам близки к кованой стали. Предел прочности литой ста­ ли при растяжении (σВ) составляет от 400 до 1500 МПа. Масса отливок может изменяться в широком диапазоне – от 100 г до 200 т и более, толщина в сечении – от 5 до 1,5 м. Длина от­ ливки может превышать 30 м.

Линейная усадка для углеродистых и легированных сталей составляет 2,2­2,3 %. Для некоторых высоколегированных сталей (12Х18Н9ТЛ) она достигает 2,7­2,8 %. В реальных условиях затвердевания из­за механического и термического торможения изменение линей­ ных размеров отливки меньше. Тонкостенные отливки сложной конфигурации имею линейную усадку, равную 1,23­1,5 %, а толстостенные – 2,0­2,3 %. Такую усадку принято называть ли­ тейной. Литейная усадка нестабильна, в реальных условиях может изменяться в заметных пределах, сказываясь на точности отливок.

Таблица 12 Назначение и общая характеристика стальных отливок (ГОСТ 977­88)

52

ветственные детали автосцепки (корпуса, тяговые хомуты, замковые упорные плиты)

Станины прокатных станов, шкивы, траверсы, поршни, корпуса подшип­ ников, зубчатые колеса, арматура паровых турбин, оси, валы и др. детали, работающие под действием средних статических и динамических нагру­ зок. Сталь не чувствительна к перегреву, детали могут работать при тем­ пературе – 40­+450°С под давлением

Корпуса и обоймы турбомашин, детали гидротурбин, рычаги, балансиры, корпуса редукторов, муфты, шкивы, кронштейны, станины, балки, банда­ жи, маховики и другие детали, работающие под действием средних стати­ ческих и динамических нагрузок. Сталь применяют в нормализованном или улучшенном состоянии

Корпуса и обоймы трубомашин, станины прокатных станов, бабы паро­ вых молотов, задвижки, вилки, кронштейны и другие детали, работающие под действием средних статических и динамических нагрузок. Сталь при­ меняют в улучшенном состоянии и после упрочнения ТВЧ

Станины, корпуса, муфты, тормозные диски, зубчатые колеса, кожухи, вилки, звездочки, детали лебедки, храповики и другие ответственные де­ тали к которым предъявляют требования повышенной прочности и высо­ кого сопротивления износу. Детали, работающие под давлением при тем­ пературе от ­30 до +450°С. Сталь применяют в нормализованном и улуч­ шенном состоянии и после поверхностного упрочнения

Зубчатые колеса, бегунки, зубчатые венцы, зубчатые муфты, ходовые ко­ леса, валки станов для прокатки мягкого металла. Сталь применяют в нормализованном и улучшенном состоянии и после поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ

Жидкотекучесть и формозаполняемость при изготовлении стальных отливок хуже, чем чугунных. Для среднеуглеродистых и некоторых легированных хромистых и хромоникелевых сталей интервал кристаллизации равен 30­55°С. Для высокоуглеродистых и высокомарганцо­ вистых сталей интервал кристаллизации увеличивается с 60 до 120°С, если содержание угле­ рода возрастет с 0,6 до 1 % (сталь 110Г13Л).

Стальные отливки подвергаются обычно термической обработке: нормализации с по­ следующим отпуском или закалке с высоким отпуском.

Отливки из углеродистой, углеродисто­марганцевой и легированной стали для нужд судостроения и судоремонта должны удовлетворять требованиям Правил Регистра РФ (ч. XIII. Материалы). В зависимости от назначения и условий работы в составе корпусных конструкций действующий в отрасли стандарт ОСТ 5.9295­78 «Отливки стальные. Классифи­ кация и технические требования» подразделяет отливки на четыре группы по степени ответ­ ственности изделия. Для каждой группы установлен объем обязательных испытаний и сдаточ­ ных характеристик.

Таблица 13

Назначение и общая характеристика легированных сталей

53

Если для отливок, размеры которых определяются из конструктивных и технологиче­ ских соображений (роульсов, рам иллюминаторов, штурвальных тумб и т. п.), достаточной ха­ рактеристикой является анализ химического состава плавки, то для отливок ответственного назначения (якорных клюзов, кронштейнов гребных валов, штевней и т. п.) дополнительно требуется определение механических свойств стали (временного сопротивления, предела те­ кучести, относительного удлинения, относительного сужения, твердости, работы удара). Для отливок, предназначенных для изготовления сварных конструкций судов и ПБУ, работающих при минусовых температурах, подвергающихся ударам или знакопеременным нагрузкам (фор­ и ахтерштевней, кронштейнов гребных валов судов ледового плавания, хвостовой части лито­ сварных баллеров рулей, фитингов контейнеров и т. п.), дополнительной сдаточной характе­ ристикой является результат испытания на ударный изгиб при температуре минус 40°С (либо минус 60°С, в зависимости от рабочей температуры конструкции).

Отливки изготовляют из стали углеродистой марок 20Л, 25Л, 35Л, кремнемарганцевой марок 20ГСЛ, 30ГСЛ, дисперсионно­упрочняемой марок 08ГДНЛ (СЛ­30), 08ГДНФЛ (СЛ­2), 12ГДНМЛ, 20ГСНДМЛ, коррозионно­стойкой 08Х14НДЛ, 08Х15Н4ДМЛ.

54

Условия работы марок сталей, применяемых в корпусных конструкциях и устрой­ ствах, приведены в табл. 14.

Таблица 14 Условия работы отливок для корпусных конструкций и устройств

В соответствии с Правилами Регистра РФ отливки изготовляют из спокойной стали. При этом химический состав углеродистой и углеродисто­марганцевой стали должен отве­ чать следующим предельным значениям, % (не более): углерод, никель – по 0,4; кремний – 0,6; марганец – 0,5­1,6; сера, фосфор – по 0,04; медь, хром – 0,3; молибден – 0,15.

Для ответственных стальных отливок, подлежащих сварке (для корпусных конструк­ ций, судовых устройств, угловых фитингов контейнеров и т.п.), массовая доля углерода не должна превышать 0,23 % по анализу ковшовой пробы (не более 0,25 % в отдельной отливке), а сумма хрома и молибдена не более 0,3 %. Химический состав каждой плавки должен быть подтвержден документом завода­изготовителя.

Для получения требуемой структуры и механических свойств отливки должны подвер­ гаться термической обработке. Свойства сталей по ОСТ 5.9285­78 должны соответствовать требованиям, приведенным в табл. 15.

Для отливок из стали марок 20Л и 25Л допускается удаление прибылей после термо­ обработки. Мелкие дефекты (кроме трещин), не влияющие на качество отливок, могут быть допущены без исправления, на обрабатываемых поверхностях не допускаются дефекты, глу­ бина которых превышает 2/3 припуска на механическую обработку.

Удаление и исправление дефектов заваркой, а также последующая термообработка должны производиться в соответствии с требованиями. ОСТ 5.9137­83. Литосварные детали и конструкции, изготовленные электрошлаковой сваркой, подлежат дополнительной термооб­ работке, обеспечивающей перекристаллизацию сварного шва и зоны влияния сварки.

55

Допускается правка отливок в горячем и холодном состояниях. Технология правки, а также необходимость последующей термообработки и ее режим устанавливаются технически­ ми условиями заказа, а при их отсутствии – стандартом или технологическим процессом предприятия­изготовителя.

Стальные отливки для угловых фитингов контейнеров (гнезд в настиле палуб для крепления контейнеров и оттяжек) должны быть изготовлены из литейной стали следующего химического состава (по плавочному анализу ковшовой пробы): углерода не более 0,23 % по массе, марганца – 1,15­1,45 %, фосфора – не более 0,03 %, серы – не более 0,03 %, хрома и молибдена в сумме – не более 0,3 % либо эквивалент углерода Сат не более 0,45 %. Отливки

56

подвергают термообработке (нормализации или отжигу). Устранение дефектов при помощи сварки допускается только по согласованию с инспектором Регистра РФ.

Для выплавки литейных сталей широко применяют следующие плавильные агрегаты:

1.Кислые и основные дуговые печи (в них выплавляют 90 % литейных сталей для изготовления самых разнообразных по массе и конфигурации отливок в цехах массового и среднесерийного производства);

2.Кислые и основные индукционные печи (в цехах, выпускающих мелкие отливки раз­ личного назначения);

3.Кислые и основные мартеновские печи (в старых цехах при реконструкции их заме­ няют электропечами);

4.Установки электрошлакового переплава (в цехах, выпускающих особо ответствен­ ные отливки специального назначения);

5.Конверторы с верхним кислородным дутьем (для производства крупных отливок преимущественно на металлургических заводах).

Медные сплавы наряду с достаточной прочностью имеют высокие антифрикционные свойства, хорошо противостоят коррозии в морской воде, паре и других средах, сохраняют высокую пластичность при низкой температуре. Они немагнитны, легко полируются и обраба­ тываются резаньем.

Оловянные бронзы широко применяют для изготовления арматуры, подшипников, ше­ стерен, втулок, работающих в условиях трения, повышенного трения, воды и водяного пара. Хорошая жидкотекучесть бронз позволяет литьем в песчаные формы получать сложные по конфигурации отливки. Характерной особенностью сплавов этой группы является широкий интервал кристаллизации (150­200°С), что обуславливает значительные трудности получения плотных отливок. Медь и особенно олово дефицитны, поэтому применять бронзы следует лишь в тех случаях, когда использование других, недефицитных, материалов нерационально.

Безоловянные бронзы по механическим, коррозионным и антифрикционным свойствам превосходят оловянные, но обладают более низкими литейными механическими свойствами. Литейные безоловянные бронзы подразделяют на четыре группы: алюминиевые, марганцевые, свинцовые и сурьмянистые. Наиболее широко применяют алюминиевые бронзы для изготовле­ ния гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпу­ сов насосов. Марганцовистая бронза обладает высокой пластичностью и коррозионной стой­ костью, но невысокими механическими качествами. Свинцовистая бронза, обладающая высо­ кими антифрикционными качествами, используется для изготовления подшипников дизелей с большим удельным давлением (например марки БрС30). Бериллиевая бронза, обладающая хо­ рошей твердостью, износоустойчивостью, упругостью и значительным пределом усталости, употребляется для изготовления пружин насосов и деталей, соприкасающихся с морской во­ дой.

В судостроении и судоремонте арматуру сложной формы, червячные колеса, корпуса, клапаны, детали теплообменных аппаратов часто отливают из бронзы БрО3Ц7С5Н1. Оловян­ ные, алюминиевые и свинцовистые бронзы используют для изготовления тяжелонагруженных подшипников скольжения в поршневых машинах (Бр10ОФ1), втулок сальников (БрО6Ц6С3),

57

штоков гидравлических цилиндров (БрС30), поршней, облицовки штоков насосов, работаю­ щих в морской воде (БрА9Мц2). Эти сплавы, обладая хорошими антифрикционными свой­ ствами, сравнительно мало изнашиваются.

Фасонные отливки изготовляют преимущественно из сложнолегированных латуней, двойные латуни используют сравнительно редко. Легирование двойных латуней алюминием или кремнием повышает жидкотекучесть, коррозионную стойкость, механические свойства сплавов и уменьшает угар цинка при плавке. Вместе с тем алюминий и кремний повышают склонность латуней к газонасыщению и образованию пористости. Железо и марганец улучша­ ют механические свойства латуней, но снижают жидкотекучесть. Олово, улучшая механиче­ ские свойства латуней, не оказывает влияния на их литейные свойства.

Латуни применяют для изготовления втулок и сепараторов подшипников (ЛЦ40С), де­ талей, работающих при ударных нагрузках (ЛЦ40Мц1,5); конструкционных деталей для судов (ЛЦ40МцЗЖ), антифрикционных деталей (ЛЦ38Мц2С2), деталей для тяжелого ма­ шиностроения (ЛЦ23А6ЖЗМц2) и др. Кремневая латунь ЛЦ16К4 обладает высокой жидкоте­ кучестью, хорошо обрабатывается резаньем и сваривается. Ее применяют для изготовления арматуры испытывающей повышенное воздушное и гидравлическое давление, работающей в агрессивных средах (морской соде, серной кислоте и т.д.).

Алюминиевые латуни, обладающие хорошей коррозионной стойкостью в морской воде, широко применяют в судостроении. Марганцовые латуни применяют для изготовления жаро­ стойких и коррозионно­стойких отливок. Свинцовую латунь используют как антифрикцион­ ный материал.

Отливки из медных сплавов в основном не подвергают термической обработке. В ряде случаев для снятия остаточных термических напряжений и уменьшения ликвации применяют отжиг отливок.

Для плавки медных сплавов широко используют индукционные тигельные (открытые и вакуумные) и канальные печи, а также электродуговые и топливные отражательные. Для плав­ ки латуней исключается применение дуговых и вакуумных печей из­за высокого испарения цинка.

При плавке на воздухе медные сплавы окисляются и насыщаются водородом, что сни­ жает свойства сплавов. Для защиты от окисления плавку сплавов ведут под покровом древес­ ного угля или флюсов. Чтобы предупредить образование твердых нерастворимых оксидов, медь перед введением легирующих элементов раскисляют фосфором (0,1­0,5 %).

Медные сплавы модифицируют с целью измельчения зерна и нейтрализации вредных примесей. Для измельчения зерна в сплавы вводят 0,15­0,2% тугоплавких элементов (Ti, V, Zr, B, W, Mo). Для нейтрализации вредного влияния примесей висмута, сурьмы, мышьяка и свинца в двойные латуни вводят до 0,2 % кальция, до 0,3 % церия или циркония.

Свойства и область применения литейных бронз приведены в табл. 16.

Таблица 16

Свойства и область применения литейных бронз

58

1.Условные обозначения литья: К – литье в кокиль: П – литье в песчаную форму.

2.В марке БрА9Ж3 при литье в кокиль допускается относительное удлинение не менее 6 %, если твердость НВ превышает 1568 МПа (160 кгс/мм2).

Алюминиевые литейные сплавы, благодаря низкому удельному весу, высокой удель­ ной прочности, электро­ и теплопроводности, высокой коррозионной стойкости широко при­ меняют в судостроении, машиностроении, приборостроении и электротехнической промыш­ ленности.

Алюминиевые литейные сплавы обладают хорошими литейными свойствами: повышен­ ной жидкотекучестью, обеспечивающей получение тонкостенных и сложных по конфигурации отливок; сравнительно невысокой линейной усадкой, пониженной склонностью к образованию горячих трещин.

Для изготовления отливок сложной формы используют сплавы, которые в зависимости от компонентов, добавляемых к алюминию, подразделяют на пять групп (табл. 17). Основным компонентом (кроме алюминия) в сплавах I группы является Si (силумины), II группы – Si и Cu (медистые силумины), III группы – Cu, IV – Mg. В пятую группу входят сложнолегирован­ ные сплавы. К сплавам группы V относятся, в частности, сплавы на основе систем Al–Si–Zn (АК7Ц9) Al– Zn–Mg (АЦ4Мг). Их называют «самозакаливающимися», поскольку они способ­ ны упрочняться в результате закалки при охлаждении в форме (особенно металлической) и последующего естественного старения. Это позволяет производить крупные отливки высокой

59

прочности без термической обработки, требующей соответствующее оборудование и приводя­ щей к возможному короблению и растрескиванию отливок при резком охлаждении в процессе закалки. По литейным свойствам и герметичности сплавы не уступают силуминам. Но корро­ зионная стойкость сплава АК7Ц9 низкая.

Таблица 17

Алюминиевые литейные сплавы (ГОСТ 2685­81)

Алюминиевые сплавы склонны к образованию усадочной пористости, устранение кото­ рой в отливках достигают установкой массивных прибылей, холодильников, а для ответствен­ ных отливок кристаллизацией под давлением сжатого воздуха в автоклавах.

В зависимости от масштаба и специфики производства плавку алюминиевых литей­ ных сплавов ведут в тигельных и отражательных печах, работающих на электроэнергии, жид­ ком или газообразном топливе. Широко применяют электрические индукционные тигельные и канальные плавильные печи. При плавке большинства алюминиевых сплавов легирующие компоненты, за исключением Mg, Zn, а иногда и Cu, вводят в виде лигатур.

60