книги из ГПНТБ / Титов, Н. Д. Технология литейного производства учебник для машиностроительных техникумов

Диаметр заготовки образца (бруска) для испытания на разрыв выбирают в зависимости от толщины стенок отливки (табл. 31).

Нормальный образец для определения механических свойств

кой его в формы. Ввод в шихту стали для получения перлитной структуры широко используют в литейных цехах при изготовлении большого

числа отливок разнообразной номенклатуры. Такой чугун назы­ вают сталнстым. Сталь вводят в шихту при выплавке чугуна для последующего модифицирования.

§ 5. МОДИФИЦИРОВАНИЕ СЕРОГО ЧУГУНА

Цель модифицирования серого чугуна — это получение в отлив­ ках однородной перлитной структуры с мелкопластинчатым графи­ том, а также высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Мо­ дифицирование ковкого чугуна применяют для ускорения отжига белого чугуна.

В качестве модификаторов используют силнкокальций (0,3— 0,8% массы жидкого чугуна), ферросилиций (0,3—0,8%) и графит в виде порошка (0,06—0,1 %). Модификаторы перед вводом в жидкий чугун рекомендуется прокаливать при 300—400° С. Модификаторы в раздробленном виде (куски размером не более 5—6 мм) специаль­ ными дозаторами подают на желоб вагранки. После модифицирова­ ния чугун сразу же разливают в формы, чтобы не уменьшить эффект модифицирования и не охладить чугун.

Модифицирование само по себе мало повышает свойства серого чугуна, оно дает хорошие результаты только как составная часть комплекса технологических мероприятий: перегрева жидкого чу­ гуна; снижения содержания углерода и кремния в чугуне; повыше­ ния содержания марганца до 1,0—1,5%.

При перегреве чугуна графит становится мельче, а количество связанного углерода увеличивается. Однако перегрев вызывает переохлаждение чугуна при затвердевании, благодаря чему чугун отбеливается особенно в тонких сечениях отливок. Увеличение

240

содержания кремния с целью предотвращения отбела в тонкостенных отливках способствует появлению мелких дисперсных выделений графита и феррита, что также нежелательно. При модифицировании же чугун дегазируется, создаются добавочные центры кристаллиза­ ции и устраняется переохлаждение, вследствие чего происходит интенсивная графитизация и предупреждается отбел.

Модифицирование увеличивает прочность серого чугуна и его износостойкость, улучшает плотность, теплостойкость и обрабаты­ ваемость. Хорошие результаты дает модифицирование с легирова­ нием. При плавке модифицированного высокопрочного серого чугуна необходимо соблюдать ряд технологических условий: перегревать чугун до 1420—1440° С, добавлять в шихту 40—60% стали, приме­ нять в шихте низкокремнистые доменные чугуны.

s

§ 6. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ЧУГУНЫ

Высокопрочным называют чугун, модифицированный магнием с последующей обработкой ферросилицием (75% Si). При введении магния в чугун изменяются условия роста зародыша графита, что влияет на его форму: он становится шаровидным. Эта форма графита способствует повышению прочности и особенно пластичности чугуна.

Высокопрочный чугун по сравнению с углеродистой сталью имеет следующие преимущества: более низкую температуру плав­ ления, лучшую жидкотекучесть, меньшую склонность к образова­ нию горячих и холодных трещин, меньшую плотность, более высо­ кую прочность, износостойкость и лучшую обрабатываемость реза­ нием. По сравнению с серым чугуном он обладает более высокими прочностью, пластичностью, жаростойкостью и лучшей сваривае­ мостью.

В чугун вводят 0,15—0,45% Mg от массы жидкого чугуна. Ко­ личество магния зависит от способа его ввода.

Магний несколько увеличивает жидкотекучесть при прочих равных условиях (химическом составе, температуре заливки, ско­ рости охлаждения и т. д.). Линейная усадка высокопрочного чугуна составляет около 1,7—1,8%, что больше усадки обычного чугуна; при затвердевании по стабильной системе она может быть такой же, как и у серого чугуна. Магний улучшает износостойкость и корро­ зионную стойкость чугуна. При вводе магния чугун сильно охлаж­ дается, поэтому его необходимо перегревать до 1400—1450° С.

В последнее время для модифицирования чугуна применяют це­ рий. Расход его составляет 0,2—0,3%. Церий вводят в виде кусков непосредственно в ковш во время заполнения его чугуном. Церий на форму графита оказывает такое же влияние, как и магний. Об­ разование шаровидной формы графита под влиянием церия возможно в доэвтектнческом и заэвтектическом чугуне, при этом чугун необ­ ходимо перегревать до 1500° С. Литейные свойства и прочность цериевого чугуна выше, чем магниевого, однако церий — очень дефицитный металл, поэтому его используют редко.

241

После модифицирования магнием или церием рекомендуется присадка 7596-ного ферросилиция для регулирования структуры ме­ таллической основы. Присадку ферросилиция можно вводить также вместе с магнием, при этом его необходимо предварительно раздро­ бить на куски размерами 6—10 мм. Количество ферросилиция, вводимого в ковш, зависит от состава чугуна, толщины стенок от­ ливок, количества модификаторов (магния или церия) и других условий, обычно оно составляет 0,3—1,296 массы жидкого чугуна. Магний вводят в жидкий чугун в лигатурах Mg—Ni, Mg—FeSi, Mg—Cu, Mg—CaS и др., а также иногда и в чистом виде. Применяют несколько способов ввода магния и его лигатур в жидкий чугун: 1) в ковш с помощью колокольчика; 2) в копильннк вагранки; 3) в специальные герметизированные ковши.

Магний вводят при обычном атмосферном давлении (открытым способом) либо при повышенном давлении на поверхности модифи­ цированного чугуна (закрытым способом). В процессе обработки чугуна магнием последний испаряется с выделением большого ко­ личества белого пара; температура чугуна понижается на 120— 150° С. Поэтому модифицирование чугуна производят в специальном копильнике пли в герметизированном ковше.

На рис. 165 приведена установка для ввода магния или магние­ вой лигатуры непосредственно в копильннк вагранки. В копильнике магний лучше усваивается чугуном, чему способствуют испарение магния при температуре 1400° С и повышенное давление паров маг­ ния, достигающее 8 кгс/см2.

В центральном научно-исследовательском институте технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ) разработан способ ввода магния

сзамедленным испарением последнего (рис. 166). Чугун заливается

вгерметически закрытый ковш барабанного типа, а магний предва­ рительно кладут в боковой патрон. После заливки ковш закрывается, поворачивается и чугун соприкасается с магнием. Магний испа-

242

Рис. 165. Установки для ввода в копнльник металлического маг­ ния:

/ — груз: 2 — колокольчик с магнием; 3 — вагранка: 4 — кольца; 5 — направляющие для груза

Рис. 166. Герметизированный ковш для обработки чугуна магнием (ЦНИИТМАШ):

1 — ковш; 2 — горловина для заливки жидкого чугуна; 3 — патрон для укладки магния

243

ряется, в ковше повышается давление (2,5—3 ат). Чугун перемеши­ вается с магнием постепенно, и усвоение магния чугуном в таких ковшах достигает 30—40%.

Механические свойства высокопрочного чугуна регламенти­ руются ГОСТ 7293—70 (табл. 32).

Высокопрочный магниевый чугун применяют в машиностроении для различных деталей: коленчатых валов, прокатных валков, зуб­ чатых колес, поршней, станин прессов, лопаток турбин, изложниц, коробок скоростей для деталей тракторов и т. д.

§ 7. ЛЕГИРОВАННЫЕ ЧУ ГУНЫ

Легирующие элементы улучшают механические свойства, корро­ зионную стойкость, износостойкость, жаропрочность, антифрикцион­ ные и другие свойства чугуна. В зависимости от содержания леги­ рующих элементов чугуны можно разделить на низколегированные (до 3% легирующих элементов), среднелегированные (3—10% ле­ гирующих элементов), высоколегированные (более 10% легирую­ щих элементов). Наиболее часто в качестве легирующих элементов чугуна применяют никель, хром, молибден, марганец, алюминий, медь, титан. В соответствии е этим чугун называют никелевым, хро­ мистым, титаномедистым и т. д. Наибольшее распространение в ма­ шиностроении получили низколегированные хромонпкелевые чу­ гуны, выплавляемые с присадкой в шихту природнолегированных доменных чугунов.

Низколегированные конструкционные чугуны. Легированные хромоникелевые чугуны различных марок содержат 0,3—0,4% Сг и 0,1—2% Ni. В шихту вводят до 8% Орско-Халиловского чу­ гуна, содержащего в среднем 1% Ni и 2,5—2,7% Сг. Чугун, леги­ рованный 0,25—0,35% Сг и 0,25—0,35% Ni, успешно применяют для изготовления блоков цилиндров автомашин. Такие чугуны обеспечивают повышенные механические свойства и хорошую из­ носостойкость.

В низколегированном чугуне эффективность легирования опре­ деляется присутствием хрома. В тонкостенных отливках из хромо­ никелевого чугуна при содержании 0,3—0,4% Сг и 0,1—2% Ni может получиться отбел. Поэтому в таких случаях производят модифицирование жидкого чугуна ферросилицием или другими мо­ дификаторами. Для станин металлообрабатывающих станков при­ меняют чугуны, легированные 1,25—1,75% Ni с небольшими добав­ ками хрома (0,25—0,35%) и молибдена (0,3—0,4%).

Автомобильные поршневые кольца изготовляют из низколеги­ рованного чугуна, содержащего 3,8—3,9% С; 2,4—2,6% Si; 0,2— 0,1% Сг; 0,15—0,25% Ni; 0,35—0,5% Си; 0,1—0,2% Ti. Для полу­ чения чугуна такого состава в шихту вводят титаномедистый чу­ гун, имеющий в небольшом количестве легирующие элементы: хром, никель, медь и титан. Крупные тормозные барабаны грузовых авто­ мобилей и самолетов изготовляют из чугуна, содержащего 3,8% С;

244'

1,35% Si; 2,0% Ni; 0,25-0,35% Cr; 0,4-0,5% Mo. Прочность при растяжении чугуна до 28 кгс/мм2. Такой низколегированный чу­ гун имеет однородную структуру и хорошо обрабатывается.

Износостойкие чугуны. Такие чугуны применяют для отливок, работающих в условиях повышенного износа (для подшипников, цилиндров, втулок, тормозных барабанов и др.). С целью достиже­ ния высокой износостойкости чугун легируют так, чтобы в его структуре образовались карбиды с наибольшей твердостью. По­ этому чугун необходимо легировать элементами, способствующими образованию карбидов (хромом, молибденом и др.).

Чугун типа нихард имеет состав: 2,7—3,6% С; 0,4—1,0% Si; 0,25—0,7% Мп; 3,0—5,0% Ni; 1,2—2,8% Cr; до 0,15% S; до 0,4% Р. При производстве крупных отливок к нихарду добавляют молиб­ ден, который является карбидообразующим элементом. Такой чугун

Износостойкий чугун применяют для отливок волочильных досок, форм для керамики, роликов конвейеров, размалывающих шаров и т. п.

Чугун нихард имеет мартенситную структуру, обладающую высокой износостойкостью, большую линейную усадку (до 2%) и низкие литейные свойства, как и белые чугуны.

Немагнитные чугуны. Это высоколегированные чугуны, содер­ жащие в качестве основных легирующих элементов никель, марга-

.нец, медь и алюминий. При присадке таких элементов чугун будет иметь аустенитную структуру. В случае легирования чугуна нике­ лем и марганцем ориентировочное содержание в них углерода для получения аустенитной структуры должно удовлетворять равен­ ству

[% №] + 2,5 [% Мп] + 1,8 [% С] - 33.

Немагнитные чугуны содержат 9—12% никеля; добавка 2% меди дает возможность снизить содержание никеля.

В связи с дефицитностью никеля разработаны чугуны с содер­ жанием до 12—16% марганца, а также чугуны с содержанием до 20—30% алюминия.

Коррозионностойкие чугуны. Коррозия чугунов зависит от следующих факторов: структуры металлической основы; содержа­ ния графита и связанного углерода; характера распределения гра­ фита; общего химического состава; плотности. Низкохромистые' чугуны характеризуются повышенной коррозионной стойкостью в морской и водопроводной воде. Чугуны, легированные 0,5— 1,0% Ni, обладают повышенной стойкостью в щелочах, еще большей стойкостью обладают чугуны, легированные хромом и

ных чугунов).

245

Особое место среди коррознонностойких сплавов занимают так называемые ферросилициды. Это сплавы, содержащие 14,5—18% Si и около 0,5% С.

Высококремнистые чугуны типа ферросилицидов обладают хоро­ шей жидкотекучестью, большой линейной усадкой (1,7—2,3%), хорошо сопротивляются износу, плохо обрабатываются, хрупки, НВ 300—460. Эти сплавы имеют высокую коррозионную стойкость в серной кислоте при любых концентрациях, что обусловлено обра­ зованием защитной пленки кремнезема Si03 вследствие действия кислоты на отливку. В горячей соляной кислоте и некоторых других веществах пленка Si02, защищающая отливки из высоко­ кремнистых сплавов от коррозии, разрушается. В этих случаях при­

Высокой коррозионной стойкостью обладают чугуны с аустенит­ ной структурой, например чугун нирезист. Он обладает высокой химической стойкостью при обычной температуре в серной, му­ равьиной, уксусной кислотах, каустической соде и в некоторых солях и щелочах, а также в морской Еоде. Состав нирезпста: 2,75— 3,1% С; 0,4% Р; до 0,12% S; 12—16% Ni; 6—8% Си; 1,5—4,0% Сг,

Эти чутуны обладают хорошей износостойкостью и температуростойкостью; их применяют для гильз блоков цилиндров автомобильных двигателей.

Жаропрочные чугуны. Применяют для отливок, работающих при температурах до 600° С под нагрузкой. Для повышения жаропроч­ ности в чугун вводят легирующие добавки — никель, хром и молиб­ ден. Структура таких чугунов должна быть аустенитно-карбидной; графит должен иметь шаровидную форму. Отливки из чугуна марок 4Н19ХЗШ подвергаются термической обработке по режиму: нагрев до 1030—1050° С, выдержка 2—4 ч, нормализация и последующий отпуск при температуре 550—620° С.

Жаростойкие чугуны. Это чугуны, способные оказывать сопро­ тивление росту (не более 2%) и окалинообразованию [не более 0,5 г/(м2ч)] при заданной температуре в течение 150 ч. Чугунные отливки, работающие при высоких температурах, разрушаются не только от недостаточной жаростойкости, но и от увеличения объема, которое происходит при нагреве выше 400° С. С увеличе­ нием температуры объем может увеличиться из-за роста чугуна до 10%. Чугунные отливки при этом коробятся, в них ■образуются трещины, и они выходят из строя. Поэтому отливки, работающие при высоких температурах, должны сопротивляться не только хи­ мическому воздействию среды, но и росту. Увеличение объема чу­ гуна объясняется тем, что цементит, находящийся в чугуне, рас­ падается с выделением графита. Каждый процент углерода, находя­ щегося в чугуне в виде цементита, при распаде увеличивает объем примерно на 2,5%, так как газы, окисляющие чугун, проникают вдоль выделений графита. Проникновение газов в чугун и его окис­ ление будет тем больше, чем крупнее графит, выделившийся в чугуне

246

при распаде цементита. Следовательно, для получения чугунных отливок с повышенной жаростойкостью и ростостойкостыо необ­ ходимо подбирать чугун такого химического состава, чтобы на от­ ливках могла образоваться стойкая защитная пленка, которая бы препятствовала проникновению в чугун газов, при этом исключа­ ется распад цементита.

Чугун, содержащий более 5% Si, называется силалом, а чугун, содержащий 19—25% А1,— чугалем.

. Силал имеет низкую прочность, вязкость, склонен к обра­ зованию трещин, при добавке марганца или хрома улучшаются его механические свойства, а при добавке меди повышаются окалиностойкость и жидкотекучесть. Очень высокой окалиностойкостью и ростостойкостыо обладает кремнистый чугун с шаровидным гра­ фитом.

Чугаль отличается высокой жаростойкостью и сравнительно удовлетворительными литейными свойствами, обрабатывается реза­ нием. Он имеет большую усадку, объем усадочных раковин состав­ ляет 3—7% при содержании 18—23% А1, линейная усадка 2,4—2,6% при содержании 25% А1. Чугаль с шаровидной формой графита имеет более высокую жаростойкость, чем серый чугун с пластинчатым графитом. Из этого чугуна часто изготовляют тигли для сплавов алюминия.

Г Л А В А I I

ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ШИХТОВКА§

§ 1. МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ШИХТА

Основными материалами, входящими в состав металлической шихты при плавке чугуна, являются доменный чушковый чугун, лом чугунный и стальной, брикетированная чугунная и стальная стружка, возврат собственного производства (литники, скрап, бракованные отливки). В качестве добавок в зависимости от марки выплавляемого чугуна используют ферросплавы: ферросилиций, силикокальций, ферромарганец.

Доменные чушковые чугуны

Чугуны, выплавляемые в доменных печах, подразделяют по назначению на литейные и передельные. Литейный чугун, в свою очередь, делится на чугун общего назначения и специальный (для отливок валков прокатных станов, отливок из ковкого чугуна и других отливок с отбеленной поверхностью). В зависимости от рода топлива,' на котором выплавляют литейный и передельный чугуны, их подразделяют на коксовый и древесно-угольный чугуны. Чугун, выплавленный в доменных печах из руд, содержащих легирующие элементы, называют природнолегированным. Доменные чугуны

247

поставляют заводам-потребителям в чушках. Практикой установ­ лено, что отливки, полученные при применении чушковых литейных чугунов одинакового химического состава, но поставляемые раз­ ными металлургическими заводами, обладают различной структу­ рой и механическими свойствами.

К недостаткам литейных чугунов относят склонность их к усадке, выделение спели (выделение графита), микропримесей, неметалли­ ческие включения и газы. Лучшими считают чугуны, имеющие наименьшую загрязненность микропримесями. Наименьшая за­ грязненность микропримесями у чугунов, выплавленных на криво­ рожских рудах.

На качество литейного чушкового чугуна влияют также условия его разливки, определяющие в известной мере структуру чугуна и степень ее загрязнения спелыо и шлаковыми включениями. При длительном пребывании жидкого чугуна в ковше перед разливкой его в чушки загрязненность спелью чугуна увеличивается, а при быстрой разливке чугуна, особенно в небольшие чушки, содержание спели уменьшается. Перегревом и модифицированием, чугуна, вы­ плавленного в вагранках и электропечах, можно ослабить или вовсе ликвидировать влияние наследственности. Чушковый литейный чугун коксовый по составу делят на семь марок (табл. 33). Чугуны каждой марки подразделяют по содержанию марганца на группы, фосфора — на классы, серы — на категории.

Исследованиями и практикой установлено, что при использова­ нии литейных чугунов с содержанием 2,7% кремния и выше от­ ливки получают более низкого качества, так как при переплаве такого чугуна графит полностью в жидком чугуне не растворяется. Для получения чугуна с высокими механическими свойствами сле­ дует применять низкокремнистые доменные чугуны с содержанием 0,75—1,75% кремния и передельные чугуны Ml, М2 и бессемеров­ ские Б1 и Б2 с добавкой доменного ферросилиция.

Передельные чугуны по составу делят на пять-марок (табл. 34). Литейные древесноугольные чугуны в общем балансе доменного производства выплавляют в незначительном количестве. По содер­ жанию кремния их делят на три марки: ЛД1, ЛД2 и ЛДЗ (табл. 35). Содержание серы и фосфора в них низкое. Древесноугольный чугун обладает меньшей склонностью к отбелу по сравнению с чугунами,

249