книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

имеют одинаковую толщину. Однако одного этого условия недоста­ точно. Даже при равномерных по толщине, но сопрягающихся под острым углом стенках получается сочетание теплового узла (а сле­ довательно, концентрация усадочных дефектов) и слабины из-за различной ориентации кристаллов (рис. 75, а). При возникновении напряжений из-за затрудненной усадки в месте стыка образуются трещины. Одностороннее округление в месте сопряжения двух сте­ нок уменьшает опасность образования трещин (рис. 75, б). Однако

термический узел останется, что вызовет образование усадочной рыхлоты, или раковины, являю­ щейся концентратором напряже­ ний. Только двустороннее округ­ ление значительно улучшит усло­ вия кристаллизации (рис. 75, в).

В ответственных тонкостен­ ных отливках, в особенности ра­ ботающих под давлением, следует

делать еще более плавные переходы. При необходимости сопряже­ ния тонких и толстых стенок следует делать плавные переходы толщин.

При производстве отливок из сплавов с повышенной усадкой для устранения трещин и рыхлот в стыке ребер со стенкой иногда предусматриваются дополнительные тонкие ребра, которые назы­ ваются литейными или усадочными. Они выполняются обычно не по модели, а прорезкой узких щелей в форме. Литейные ребра имеют меньшую толщину, чем стенки отливки, они затвердевают в первую очередь и воспринимают значительную часть возникаю­ щих напряжений, предохраняя отливку от горячих трещин.

Для выравнивания скорости охлаждения отливки с неодинако­ вой толщиной сечений применяют специальные вставки в форму — так называемые холодильники (металлические или из высокотепло­ проводной смеси). Холодильники ускоряют охлаждение наиболее массивных мест отливки, что снижает опасность возникновения трещин из-за термических напряжений.

§ II. Производство отливок из серого чугуна

Классификация чугунов. Серый чугун — наиболее распростра­ ненный металл в машиностроении. Широкое применение его объ­ ясняется сравнительно низкой себестоимостью и благоприятным сочетанием литейных и механических свойств.

Отливки из серого чугуна в зависимости от химического соста­ ва и физико-механических свойств можно условно разделить на следующие основные группы, малой и средней прочности — ддя из­ готовления стоек, крышек, суппортов, оснований, тонкостенных от­ ливок, деталей для небольших рабочих давлений, подшипников и др.; повышенной и высокой прочности — для изготовления ответ­ ственных машиностроительных отливок: цилиндров, шестерен, ста­

130

нин, маховиков, блоков цилиндров, корпусов насосов, колонн ради­ ально-сверлильных станков, муфт, коленчатых валов и др.

Механические свойства серого чугуна зависят от прочности ме­ таллической массы и в очень большой степени от величины и фор­ мы графитовых включений. Чугуны малой и средней прочности имеют пластинчатую форму графита, чугуны повышенной прочно­ сти— мелкое завихренное строение графита и чугуны высокой прочности — шаровую форму графита.

6

соединения Fe3C или в виде твердого раствора углерода в железе). Графит обычно располагается в виде пластинок. В зависимости от состояния углерода в отливке различают следующие структурные группы серого чугуна (рис. 76).

Ферритный чугун (рис. 76, а), в котором весь углерод содер­ жится в виде графита. Чугуны этого класса обладают понижен­ ными механическими свойствам^ легко обрабатываются.

Феррито-перлитный чугун (рис. 76, б), содержащий менее O',83% связанного углерода. Основная металлическая масса состоит из феррита и перлита, на фоне которых включены пластинки гра­ фита. Он имеет лучшие механические свойства, но тверже и труд­ нее обрабатываете^.

Перлитный чугун (рис. 7&,.в) со структурой перлит -Г графит (углерода в связанном состоянии около 0,83%). Чугун обладает наилучшими механическими показателями и удовлетворительно обрабатывается.

Влияние различных элементов и скорости охлаждения на ми­ кроструктуру чугуна. В обычных серых чугунах, кроме железа и

углерода, имеются кремний, марганец, фосфор и сера. В специаль­ ных чугунах, помимо вышеприведенных элементов, присутствуют хром, никель, молибден, титан, медь и др. Каждый элемент оказы­ вает определенное влияние на характер кристаллизации металла и на его микроструктуру.

Углерод в обычно применяемых для машиностроения отливках из серого чугуна содержится в пределах 3,2—3,8%. Нижние преде­ лы принимаются для толстостенных, верхние — для тонкостенных отливок. С увеличением содержании углерода увеличивается и ко-

Рнс. 77. Структурные диаграммы чугуна

личество свободно выделяющегося графита. При этом размеры каждого включения также растут.

Чем меньше й завихреннее графитовые пластинки, тем больше их рассредоточение в металлической массе, тем прочнее чугун. Со­ средоточение большого числа пластинок на небольшой площади приводит к рыхлости чугуна.

Увеличение количества свободного углерода способствует луч­ шему воспроизведению тонкого рельефа формы. Это объясняется тем, что выделение графита происходит в начале процесса затверде­ вания, вследствие чего чугун увеличивается в объеме и лучше за­ полняет форму.

Прочность серых чугунов обусловливается структурными со­ ставляющими. Она будет максимальной при перлитной основе и минимальной при ферритной.

Кремний способствует разложению цементита и выделению графита. Таким образом, изменяя содержание кремния в чугуне, можно регулировать соотношение между связанным углеродом и графитом. По своему действию на микроструктуру чугуна кремний во многом сходен с углеродом. Поэтому в реальных отливках, где обязательно присутствуют углерод и кремний, лучше рассматри­ вать совместное влияние этих элементов на характер кристаллиза­ ции чугуна.

На рис. 77, а приведена структурная диаграмма чугуна, отра­ жающая связь между микроструктурой и содержанием углерода

132

и кремния. Область / диаграммы соответствует белому чугуну с перлитно-цементитной структурой (рис. 76, д), область П а — поло­

графитной структурой (рис. 76, а).

Марганец полностью растворяется в чугуне, входя в растворы с ферритом и цементитом. Он препятствует графитизации и способ­ ствует отбеливанию чугуна. При содержании до 1% марганец спо­ собствует повышению механических свойств чугуна, нейтрализуя вредное влияние серы. При дальнейшем повышении содержания марганца увеличивается хрупкость чугуна.

Фосфор (до 0,3%) в твердом чугуне находится в растворенном состоянии. При содержании сверх предела растворимости он обра­ зует фосфидную эвтектику, которая при количестве фосфора до 0,7% выделяется в виде отдельных включений, а при еще большем колі.'честве эти включения объединяются в сплошную сетку.

В ответственном литье содержание фосфора должно быть не более 0,2—0,3%. Повышенное его содержание допускается для уве­ личения жйдкотекучести чугуна при изготовлении тонкостенных отливок, от которых не требуется высокая прочность!

Сера образует с железом химическое соединение FeS, которое может растворяться в чугуне. При затвердевании чугуна сернистое железо образует с железом легкоплавкий сплав Fe + FeS с темпера­ турой плавления 950°. Этот сплав затвердевает в чугуне последним и располагается в межкристаллическом пространстве, что снижает механические свойства чугуна при повышенной температуре (крас­ ноломкость).

Вредное влияние серы в чугуне нейтрализуется марганцем, вводимым в количестве, превышающем содержание серы в 5—■ 6 раз. Образующийся при этом сернистый марганец (температура плавления 1620е) в значительной степени переходит в шлак.

Сера ухудшает жидкотекучесть чугуна, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин в отливках. Поэтому содержание ее, как правило, ограничивается пределом 0,08—0,12%.

Никель способствует графитизации и образованию мелкодис­ персного перлита, обеспечивает получение отливок с. равномерной и плотной структурой в различных сечениях.

Хром является карбидообразующим элементом, затрудняющим графитизацию. Он повышает твердость чугуна и ухудшает его об­ рабатываемость. Поэтому при введении хрома обязательно повы­ шают содержание кремния. Как правило, хром вводят вместе с ни­ келем, что обеспечивает получение высоких механических свойств чугуна.

Молибден способствует получению мелкой и плотной структу­ ры, а также повышает жаропрочность чугуна.

Скорость охлаждения отливки оказывает значительное влия­ ние на формирование структуры чугуна. Увеличение скорости охлаждения способствует повышению в чугуне количества хими-

13»

чески связанного углерода, а уменьшение— выделению свободно­ го графита (рис. 77. б). Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна в различных сечениях отливки можно получить раз­ личные структуры. Например, на поверхности отливки, охлаждае­ мой с большой скоростью, может образоваться структура белого чугуна, а в средних частях чугун может быть структурно серым е различной степенью графитизации. Скорость охлаждения зависит от толщины стенок отливки, материала формы и температуры раз­ ливки чугуна.

Методы повышения прочности чугуна. Повышение качества чугуна достигается главным образом улучшением структуры, а

также введением специальных примесей — легирующих и модифи­ цирующих.

Задача получения доброкачественной отливки из перлитного се­ рого чугуна сводится к достижению однородной перлитной структу­ ры во всех частях отливки независимо от толщины стенок. Эта за­ дача решается регулированием химического состава, температуры выпускаемого из печи чугуна и скорости охлаждения его в форме, суммарное содержание в отливке C + Si должно составлять около 4%. Чугун перегревают до температуры примерно 1500° и замед-

4 ляют охлаждение его в форме.

Легированными называются чутуны, в состав которых введены специальные примеси (Ni, Cr, Mo, Ті и др.), улучшающие механи­ ческие свойства. Влияние легирующих элементов весьма разнооб­ разно и во многих случаях позволяет применять чугун там, где раньше применялась только сталь.

В целях повышения вязкости и улучшения механических свойств серые чугуны подвергают модифицированию, прибавляя к расплаву присадки силикокальция, ферросилиция, силикоалюминия и других специальных сплавов (0,10—0,5%). Модифицированный чугун имеет перлитную структуру с равномерно распределенным мелкопластинчатым графитом. Размельчеуие пластинчатого графи­ та повышает механические свойства чугуна. К модифицированным относятся чугуны марки СЧ 28—48 и более высоких (по ГОСТ 1412—54).

При модифицировании магнием получают высокопрочный се­ рый чугун с шаровидным графитом (рис. 76, е). Этот чугун по своим механическим свойствам приближается к стали. По сравнению с обыкновенным серым чугуном он имеет несколько худшие литей­ ные свойства, но зато обладает большей прочностью и пластич­ ностью, меньшей склонностью к отбелу, более высокой гидропроч-

иостыо, более жаростоек (сохраняет свою прочность при нагрева­ нии до 500°).

Для производства чугуна с шаровидным гр'афитом применяет­ ся обработка малосернистого (перегретого до 1420—1450°) чугуна магнием, солями магния, лигатурами или комплексными модифика­ торами. Минимальное содержание серы необходимо для снижения расхода магния, так как последний, являясь сильным обессериваю­ щим веществом, в значительной степени расходуется на десульфу-

134

рацию, проявляя свое модифицирующее воздействие па чугун толь­ ко после снижения содержания серы до 0,03% и ниже.

Введение чистого магния в жидкий чугун при обычных усло­ виях плавки вызывает пироэффект, проявляющийся в бурном вы­ делении паров магния, их горении и разбрызгивании металла.

Для лучшего усвоения магния металлом ковш с расплавлен­ ным чугуном помещают в автоклаве, где создается давление 4— 5 атм. Это позволяет избежать пироэффекта и снизить расход маг­ ния. Бурное испарение магния исключается также при введении его

ввиде безводных солей MgCl2 или MgF2.

Всоответствии с ГОСТ 7293—70 применяются 9 марок высоко­ прочных чугѵиов с шаровидным графитом: ВЧ 38—17; ВЧ 42—12; ВЧ 45—5; ВЧ 50 -2; ВЧ 60—2; ВЧ 70—3; ВЧ 80—3; ВЧ 100—4; ВЧ 120—4 (первая цифра означает предел прочности при растя­ жении, а вторая — относительное удлинение).

Шихтовые материалы для чугунного литья. Металлическая шихта для чугунного литья состоит из доменных чугунов, домен­ ных ферросплавов, чугунного и стального лома, стружки и возвра­ та собственного производства (литники, прибыли, бракованные отливки).

Топливом для плавки чугуна в основном служит кокс, иногда каменный уголь или термоантрацит. В последнее время широко

Чтобы получить требуемый химический состав металла, про­ изводят расчет шихты, т. е. определяют количество каждой состав­ ляющей металлической шихты. Топливо и флюсы берутся в про­ центах от металлической шихты (по весу). Для расчета шихты требуются данные о химическом составе отливки и исходных ма­ териалов. Кроме того, для данного плавильного агрегата опытным

Металлическая шихта рассчитывается на 100 кг. Вначале по химическому составу металла отливки, учитывая угар, для каждо­ го элемента определяют его содержание в шихте. Затем по каж­ дому элементу составляют уравнениебаланса, т. е. сумму весов данного элемента в составляющих шихты приравнивают к содер­ жанию элемента во всей шихте. Все эти уравнения сводятся в сис­ тему, решение которой дает содержание в процентах каждой со­ ставляющей металлической шихты.

Решение полной системы уравнений не всегда возможно. Для упрощения задаются двумя или тремя составляющими шихты (з процентах от общего веса шихты) и расчет сводят к нахожде­ нию величины остальных составляющих. Как правило, задаются содержанием лома и возврата собственного производства и рас­ чет уводят к определению количества чушковых чугунов. При этом расчет ведут в основном по кремнию и марганцу.

135

Конструкция вагранки. Для плавки чугуна применяют вагран­ ки, пламенные печи, тигельные горны и электропечи. Наиболее распространенными плавильными агрегатами для чугунолитейных цехов являются вагранки.

Вагранка (рис. 78) представляет собой шахтную печь, вылоложенную изнутри шамотным кирпичом 12. Снаружи она имеет металлический кожух 13 из листовой стали. Шахта вагранки опи­ рается на кольцо 7, которое установлено на опорных колоннах 6. Снизу шахта имеет днище 5, которое перед началом работы закрывается, а после плавки открывается. В верхней части распо­ ложено загрузочное окно 16, через которое вагранка определен­ ными -порциями -— колошами — пополняется шихтовыми материа­ лами в течение всей плавки.

Для предохранения кирпичной кладки от ударного действия загружаемой шихты верхнюю часть шахты выкладывают чугун­ ным кирпичом 15. В нижней части имеется воздушная коробка И, из которой необходимый для горения топлива воздух подается в вагранку через фурмьг 10, расположенные в один или несколько рядов.

Расплавленный чугун стекает в нижнюю часть шахты, назы­ ваемую горном 9, откуда непрерывной струей попадает через пере­ ходную летку 4 в копильник 1, служащий для сбора металла. Из копильника по мере накопления металл выпускают через летку 3. Для выпуска шлака в копильнике имеется летка 2. В случае рабо­ ты вагранки без копильника делаются отдельные металлические и шлаковые желоба, идущие непосредственно от вагранки.

Верхнюю часть вагранки, расположенную выше загрузочного окна, называрот трубой. На ней устанавливается искрогаситель 18. Для удобства обслуживания вагранки устраивают загрузочную площадку І4.

Загрузка вагранки начинается после тщательного ремонта, футеровки и набивки пода (лещади 8). Вначале на подготовлен­ ный под укладывают дрова и зажигают их. Когда дрова разгорят­ ся, загружают кокс на всю нижнюю часть вагранки, выше верхнего ряда фурм. Эта часть топлива называется холостой колошей. Она служит для поддержания находящихся сверху рабочих колош

136

(20, 21) и разогрева вагранки. Верхняя часть холостой колоши (выше уровня фурм на 600—1000 мм) находится в плавильном поясе вагранки. Здесь развивается максимальная температура и происходит расплавление металла. Загрузку рабочих колош (ме­

вается отходящими ваграночными газами. Обычно в вагранке атмосфера является окислительной (С О :С О г<1), а наличие сво­ бодного кислорода в составе ваграночных газов еще больше уси­

137

ливает их окислительную способность. Поэтому в первой зоне происходит окисление твердого металла с поверхности. Под окис­ ленным слоем находится слой обезуглероженного металла. Нали­ чие в ваграночных газах S 0 2 приводит к насыщению поверхности металла серой с образованием сернистого железа.

Реакции между газами и твердым металлом в первой зоне:

Fe -f-СО2—FeO + СО;

S 0 2+ 1OFeO = FeS + 3Fe30 4.

Между твердым металлом и топливом в первой зоне никаких реак­ ций не происходит.

Во второй зоне металл находится в жидком виде и, стекая кап­ лями вниз, взаимодействует с газовой фазой и с твердым топливом холостой колоши. Окисление металла протекает более интенсивно, чем в первой зоне, но одновременно окислы железа энергично рас­ кисляются содержащимися в чугуне примесями:

2FeO + Si = Si02+Fe;

FeO + Mn = MnO-f Fe;

FeO + C = CO + Fe.

Кроме того, с повышением температуры в этой зоне создаются более благоприятные условия для выгорания углерода, но одно­ временно металл насыщается углеродом, растворяя его из топлива.

В горновой части вагранки (в третьей зоне) металл несколько охлаждается, заполняет пустоты между кусками кокса и отделяет­ ся от шлака. Шлак, более леткий по удельному весу, образует верх­ ний слой в горне. Соприкасаясь с коксом нижней части холостой колоши, жидкий металл продолжает растворять в себе С и S.

Основным для третьей зоны является процесс шлакообразова­ ния. Источниками шлака являются: угар элементов (до 2% веса металла); оплавление футеровки (2—4%); примеси, вносимые шихтой (песок — до 2%, окалина — 0,25%); флюсы, вводимые в

шихту (2—4%), зола топлива (до 2%). Общий вес шлаков обычно 6—10%.

В вагранке металл подвергается химическим изменениям, ко­ торые тем меньше,, чем короче время нахождения металла в зоне паивысших температур. Поэтому, чтобы уменьшить изменение хи­ мического состава металла, в частности снизить угар, нужно, что­ бы плавильный пояс вагранки был возможно тоньше.

Способы интенсификации ваграночного процесса. Для повыше­ ния температуры выпускаемого из вагранки чугуна, снижения рас­ хода топлива и повышения производительности применяют подо­ грев воздуха, вводимого в вагранку, и обогащение его кислородом.

Подогрев дутья осуществляется за счет использования тепла отходящих газов или теплоты реакции от дожигания окиси углеро­ да (СО), входящей в состав колошниковых (ваграночных) газов. При этих способах температура дутья может достигать 400—500°; Для экономии кокса начинают применять коксогазовые ва­

138

гранки, в которых до 50% кокса заменяют вдуваемым природным газом. В коксогазовых вагранках с подогревом дутья температура выпускаемого чугуна может быть повышена до 1450—1500°.

Высокую температуру чугуна можно получить также при вду­ вании в вагранку кислорода, вводимого в смеси с воздухом через воздушную фурму или непосредственно в зону горения топлива че­ рез специальные сопла. Применение кислородного дутья позволяет повысить температуру чугуна на 80—100° и снизить расход кокса на 30—50%.

а

Для увеличения срока службы огнеупорной футеровки, кожу­ ха и фурм применяют водяное охлаждение кожуха вагранки, а иногда и фурм.

Плавильное отделение литейного цеха перерабатывает боль­ шое количество шихтовых материалов. Поэтому трудоемкие про­ цессы взвешивания шихты, ее транспортировки и подачи в вагран­ ку широко механизируются.

Вагранки могут применяться в сочетании с другими, вспомо­ гательными плавильными устройствами, назначение которых за­ ключается в рафинировании и перегреве расплавленного в вагран­

печь), снижающие брак по газовым и шлаковым раковинам. Ме­ талл получается высококачественным, с повышенной жидкотеку­ честью.

139