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

Выбор химического состава чугуна зависит от толщины стенок отливки. Содержание углерода и кремния выбирается так, чтобы отливка получилась структурно целиком белой, но чтобы ее можно было отжечь в минимальное время. Для тонкостенных отливок со­ держание углерода и кремния необходимо держать па верхнем пределе, для толстостенных — на нижнем. Содержание марганца определяется содержанием серы. Обычно марганца в ковком чу«

ответственных и тонкостенных отливок металл обычно плавят дуп­ лекс-процессами: вагранка+ кислая дуговая элекропечь, вагранка + + кислая индукционная печь или вагранка + пламенная печь. Назна­ чение второго плавильного агрегата при дуплекс-процессе заключа­ ется в доводке состава металла до необходимого содержания угле­ рода и кремния и обеспечении требуемого перегрева его (до 1440 — 1500°).

В пламенных печах нагрев и плавка производятся на поду за счет тепла горячих газов и тепла, отраженного от свода и сте­ нок печи. Поэтому эти печи иногда называются отражательными.

вод 1. Топливом могут служить: каменный уголь, мазут и пылевид« пое топливо: Кладка стенок печи выполнена из шамотного кирпи­ ча и заключена в кожух из листового металла, стянутый каркасом из двутавровых балок. Под 7 сделан набивным из кварцевого пес­ ка с добавкой 5—7% огнеупорной глины. На уровне пода имеется летка 5 для выпуска чугуна 6. Спуск шлака производится через шлаковое окно 3. Свод печи устроен-из отдельных съемных арок 2,

141

нию с вагранкой заключается в том, что металл может хорошо от­ стояться и выделить поглощенные им газы, чем достигается боль­ шая плотность отливаемых изделий.

Пламенная барабанная печь (рис. 80, б) состоит из стального кожуха 1, имеющего внутри огнеупорную футеровку 2. Печь может вращаться на роликах 3 вокруг продольной оси и, кроме того, при­

тура ванны 1500—1600°. Тепло газов используется для предвари­ тельного нагрева воздуха в рекуператоре.

ц К преимуществам печей этого типа относятся: 1) почти пол­ ный унос золы отходящими газами; 2) высокое теплоиспользование и хорошее перемешивание металла благодаря вращению печи во время плавки; 3) повышенная длительность службы футеровки вследствие равномерности нагрева, достигаемой вращением печи (футеровка может выдержать до 200 плавок без ремонта).

Технология формовки. Для изготовления форм, заливаемых бе­ лым чугуном, применяются формовочные смеси с повышенной противопригарностью и податливостью. Повышенная усадка белого чугуна требует применения специальных мер по обеспечению не­ обходимой плотности отливок. С этой целью на отливках устанав­

стоит из литниковой чаши 1, стояка '2, верхнего металлоприемнпка 3, шлакоулавливающей сетки 4, нижнего металлоприемника 5, литникового хода 6, питающей прибыли 7 ,9 и питателя 8. Питаю­ щие прибыли могут устанавливаться как по нескольку штук на од­ ной отливке, так и по одной для нескольких отливок.

Отжиг чугуна. Качество ковкого чугуна характеризуется преж­ де всего отсутствием в его структуре свободного цементита и сте­ пенью дисперсности углерода отжига.

Отжиг белого чугуна на ферритный ковкий производится в ней­ тральной среде. Для обеспечения нейтральной среды раньше дета­ ли засыпали песком. В последнее время с введением герметизиро­

142

ванных электропечей необходимость в этом отпала. Отжиг отливок «наголо» (без засыпки песком) обеспечивает нормальную поверх­ ность литья при одновременном сокращении цикла отжига и сни­ жении удельных затрат на одну.тонну отливок.

Отжиг на ферритный чугун производится по следующему режи­ му. Вначале отливки медленно нагреваются до 950 — 1000° и дли­ тельно выдерживаются при этой температуре. Во время выдержки (первая стадия графитизации) происходит распад первичного це­ ментита с выделением свободного углерода отжига. После этого отливки быстро охлаждаются до 720—760°. При этом фиксируется структура перлита. Далее производится длительная выдержка при этой температуре, во время которой разлагается цементит, входя­ щий в состав перлита, с образованием феррита и углерода отжига (вторая стадия графитизации).

В последнее время цикл отжига заметно снижен с помощью модифицирования исходного металла путем введения висмута и бора. Цикл отжига таких отливок составляет 32—36 ч.

Отжиг на перлитный ковкий чугун производится в окислитель­ ной среде. При этом отливки в чугунных горшках засыпают же­ лезной рудой. В процессе отжига наряду с графитизацией происхо­ дит обезуглероживание чугуна. Металлическая масса получает структуру перлита или перлита с ферритом. Присутствие перлита допускается в различных количествах в зависимости от назначе­ ния чугуна; вторая стадия графитизации отсутствует. Высококаче­

Стальное литье используется для производства ответственных деталей, работающих в условиях статических и ударных нагру­ зок. При отсутствии литейных пороков (раковин, внутренних на­ пряжений и др.) оно не уступает по прочности кованым заготов­ кам, но отличается от них значительно меньшей стоимостью.

В современных литейных цехах получают стальные отливки очень сложных очертаний весом до 300 т, которые невозможно вы­ полнить ковкой. Хорошая свариваемость стали дает возможность получать сложные конструкции путем отливки простых деталей с последующим соединением их сваркой. Это обеспечивает высокое качество изделий при неограниченной разнице в толщине их стенок.

Углеродистые стали для фасонного литья обозначаются числом с буквой Л (15Л, 20Л, 25Л и т. д.). Число обозначает среднее со­ держание углерода в сотых долях процента.

Содержание углерода в сталях существенно влияет на литей­ ные свойства. При увеличении содержания углерода повышается жидкотекучесть, но увеличивается усадка стали и ухудшается об-

143

рабатываемость и свариваемость. Наиболее распространена среднеуглеродистая сталь марок 25Л — 35Л, Для повышения прочно­ сти и износоустойчивости применяют сталь марок 45Л — 55Л.

Углеродистые стали обычно содержат не более 0,55% углеро­ да, так как дальнейшее увеличение его содержания приводит к рез­ кому возрастанию твердости и к плохой обрабатываемости. В структуре этих сталей находятся в различных соотношениях фер­

марок 15Л и 20Л, — от 0,3 до 0,65%), S и Р в кислой мартеновской и электростали — до 0,05%, а в основной — до 0,04%.

Фасонные отливки из углеродистой стали в зависимости от со­ держания серы и фосфора делятся на три группы: нормального ка­ чества, повышенного и особого (ГОСТ 977—58). Для получения от­ ливок специального назначения выплавляются легированные

стали.

Специальные стали для фасонных отливок подразделяются на низколегированные (до 5% легирующих элементов), среднелегиро­ ванные (до 10%) и высоколегированные (до 30%). Такие стали применяются в случае предъявления к отливке одного или несколь­ ких повышенных требований по теплостойкости, жаропрочности, кислотостойкости, щелочестойкости, износоустойчивости и т. д.

Особенности технологии производства стальных отливок. Сталь

по сравнению с чугуном имеет более низкие литейные качества. Ли­ нейная усадка ее составляет примерно 2 %, что является причиной возникновения большого количества усадочных раковин и трещин в отливках, имеющих-резкие переходы от толстых сечений к тон­ ким. При застывании сталь быстро покрывается коркой, поэтому в стальных отливках по сравнению с чугунными больше газовых раковин, так как газы не успевают выделиться из расплавленного

металла.

При охлаждении стали кристаллы, образующиеся в разное время, имеют разный состав. Это явление (ликвация) приводит к тому, что в различных точках стальной отливки показатели фи­ зико-механических свойств могут иметь различные значения.

Существует ряд способов улучшения литейных свойств стали. Уменьшение газовых раковин достигается прибавлением к стали

144

Mn или Al, дающих с кислородом закиси железа (FeO) шлаки. Кроме этого, применяется выдержка стали в ковшах перед залив­ кой, чтобы газы успели выделиться из металла.

Для более свободной усадки отливок литейную форму, в осо­ бенности стержни, делают с податливыми прослойками и пустота­ ми. Для предотвращения значительных усадочных напряжений и горячих трещин иногда применяют раннюю выбивку отливок с одновременным удалением стержней, затрудняющих усадку. При этом такую раскаленную отливку после выбивки сразу засыпают землей для нормального медленного охлаждения.

Высокая температура заливки стали требует применения высокоогнеупорных формовочных материалов. Форма должна иметь повышенную прочность, податливость и газопроницае­ мость.

Для обеспечения необходимой чистоты поверхности приме­ няют первоклассные кварцевые пески и в случае формовки всухую формы окрашивают специальными огнеупорными красками.

Особенности литниковой системы для стальных отливок. Для питания массивных частей стальных отливок во избежание образо­ вания усадочных раковин широко практикуется применение при­ былей. Следует иметь в виду, что прибыль выполнит свое назна­ чение только в том случае, если жидкий металл в ней затвердевает позднее, чем в самой отливке. Поэтому сечение прибыли делается большим, чем сечение узла отливки, над которым она устанавли­ вается.

При наличии в отливках нескольких тепловых узлов, разде­ ленных тонкими стенками, нужно у каждого из них установить от­ дельную прибыль. В целях экономии металла прибыль должна иметь минимально допустимую поверхность охлаждения, поэтому рекомендуются цилиндрические прибыли со сферическим куполом (высота такой прибыли равна обычно диаметру).

Прибыли по месту расположения на отливке бывают верхние и боковые, а по конфигурации — открытые и закрытые (см. рис. 73). Открытые прибыли, расположенные на верхних частях отливки, выполняют роль выпоров. В закрытых прибылях металл не сопри­ касается с атмосферным воздухом и поэтому дольше остается в жидком состоянии.

Иногда установка прибылей в некоторых частях отливки за­ труднительна или невозможна. В этих случаях для выравнивания температур в отливке и устранения усадочных раковин и рыхлот устанавливают металлические холодильники. Часто холодильники применяются в сочетании с прибылями.

Чтобы уменьшить расход металла на прибыли, широко исполь­ зуются прибыли повышенного давления и обогреваемые. Послед­ ние получаются при облицовке их в форме не обычной песчано­ глинистой смесыо, а специальным тепловыделяющим (экзотерми­ ческим) составом. Этот состав, выделяя тепло,, удлиняет время затвердевания и, таким образом, обеспечивает эффективное пи­ тание отливки на протяжении всего процесса-затвердевания.

145

Широко применяются легкоотделяемые прибыли (рис. 82), резко снижающие трудоемкость обрубных работ: они легко отби­ ваются ударом кувалды. Легкоотделяемая прибыль имеет пере­ городку 1 с отверстием, которая устанавливается по центру пита­ ния прибыли 2. Такая перегородка для прибылей диаметром до 150 мм имеет толщину 7—12 мм и диаметр отверстия 25—35 мм. Разделительные перегородки изготовляются из стержневой смеси.

Рациональной форме и размерам прибылей должно уделяться большое внимание, так как расход жидкого металла на прибыли доходит до 50% и более от веса отлив­ ки, что резко снижает выход годного.

Выходом годного называется отноше­ ние чистого веса отливок (без литников и прибылей) к весу жидкого металла.

Печи для плавки стали. Плавку стали ведут в мартеновских печах, в конверторах, в дуговых и индукцион­ ных электропечах. Шихтовыми мате­ риалами являются в основном стальные

Рис. 82. Легкоотделяемая

отходы и передельные чугуны. Плавка

прибыль стали в мартеновских печах, в дуговых и индукционных электропечах не отли­

чается от процессов, рассмотренных выше в разделе металлургии стали. Отличием является меньшая емкость плавильных агрегатов.

Остановимся на процессе конверторной плавки. Так как для фасонных отливок нужна сталь, обладающая большой жидкотеку­ честью, т. е. сильно перегретая, и так как для этих отливок обыч­ но не требуется больших количеств металла, то плавка в этих слу­ чаях производится в конверторах с боковым дутьем (рис. 83). Вы-

Рис. 83. Конвертор с боковым дутьем

сокий нагрев металла происходит вследствие того, что благодаря избытку воздуха, скользящего по поверхности расплавленного ме­ талла, углерод полностью сгорает, образуя СО2. Выделяющееся при этом количество тепла больше получаемого при сгорании угле­ рода с образованием СО, что в значительной мере имеет место в обыкновенном бессемеровском конверторе.

146

Корпус конвертора 1, выложенный внутри кислым огнеупором, установлен на двух литых стойках 3. Через одну из цапф 2 по­ дается в воздушную коробку 4 воздух для дутья. На второй цапфе установлено червячное колесо 6 поворотного механизма. Воздух из сопла 5 может периодически подаваться в металл при наклоне кон­ вертора. Емкость конвертора 1—2 т, количество сопел — б, расход воздуха 60—80 мъ/мин\ давление дутья — 0,2—0,4 атм\ продолжи­ тельность продувки 15—20 мин.

Конверторы малой емкости имеют только кислую футеровку, так как необходимые для обесфосфоривания большие количества извести сильно остуживают металл (поэтому Р и S в процессе плавки в малом бессемере не удаляются).

В конверторе продувают жидкий ваграночный металл, следо­ вательно, процесс получения стали является по существу дуплекспроцессом. Для продувки применяют чугун следующего состава: С = 3,5%; S i~ 1,7%; Мп = 1,0—1,5%;. Р и S~0,03%.

Заливка литейных форм. Подвод металла, особенно для тон­ костенных отливок, рекомендуется делать в тонкое место отливки, что способствует некоторому выравниванию скорости охлаждения тонких и толстых частей отливки. При изготовлении тонкостенных деталей с большой поверхностью равномерный подвод металла ко всей отливке обеспечивают большим количеством питателей. Раз­ ливку стали производят с помощью поворотных ковшей через носок (при мелких отливках) или стопорных ковшей (при крупных от­ ливках).

В сталелитейных цехах производится также термообработка отливок. Углеродистые стали в основном подвергаются отжигу и нормализации. Легированные стали, кроме отжига и нормализации, часто подвергаются закалке и отпуску.

§ 14. Производство отливок из сплавов цветных металлов

Сплавы цветных металлов применяются для отливок, которые должны обладать одним или несколькими из следующих свойств: легкостью и прочностью, износоустойчивостью, стойкостью в кис­ лотах и щелочах или в морской воде, высокой антикоррозийной стойкостью.

Медные литейные сплавы. Из сплавов меди наиболее широко применяют бронзы и латуни.

Бронзы разделяются на оловянистые и специальные (безоловянистые). Марки бронз обозначаются начальными буквами на­ званий отдельных элементов и цифрами, указывающими па их со­ держание в процентах (остальное—-медь). Например, бронза БрАЖС-7-1,5-1,5 содержит (в среднем) алюминия 7%, железа 1,5%, свинца 1,5%.

Поскольку олово является дефицитным и дорогостоящим ме­ таллом, то в безоловянистых бронзах оно частично заменено дру­ гими элементами (Zn, Pb, Р, Ni). Из безоловянистых бронз наибо­ лее широко применяются для литья алюминиевые. По сравнению

147

(Бр.АЖ9-4), до 2% марганца (Бр.АМц9-2) способствует образо­ ванию более мелкозернистой структуры. Кроме того, повышается износоустойчивость и коррозийная стойкость. Добавка никеля к алюминиево-железным бронзам (Бр.АЖН 10-4-4 и Бр.АЖН10-6-6) повышает их твердость, износоустойчивость и улучшает ряд дру­ гих свойств, но снижает пластичность.

Медные сплавы, в которых преобладающим легирующим эле­ ментом является цинк, выделяются в особую группу — латуней.

Латуни разделяются на простые и специальные. Для отливки фасонных деталей применяются в основном специальные. Они об­ разуются добавкой к простым латуням олова, алюминия, никеля, марганца, и^елеза, свинца и других элементов, что повышает их прочность, твердость, обрабатываемость резанием и улучшает ли­ тейные свойства. Из специальной латуни часто изготавливают па­ ровую и водяную арматуру, которая работает под давлением до 10 ати и при температуре до 300°.

В марке латуни буквы означают отдельные элементы, а циф­ ры — их содержание в процентах (остальное — цинк). Первое чис­ ло после букв указывает на содержание меди. Например, латунь ЛМцОС-58-2-2-2 содержит (в среднем) меди 58%, марганца 2%, олова 2 %, свинца 2 %.

Шихтовые материалы для медных сплавов. Шихтой при плав­ ке медных сплавов является техническая медь, лом красной меди, бронзы, латуни и отходы литейного производства (литники, при­ были, брак). Лом предварительно переплавляют и разливают на чушки. Для введения в сплав отдельных элементов, кроме чистых металлов, используют лигатуры.

Лигатурами называются сплавы металлов, у которых темпе­ ратура плавления ниже температуры плавления тугоплавких ком­ понентов, входящих в данный сплав. В практике применяются пре­ имущественно двойные и .реже тройные лигатуры. Для примера приведем химический состав двойных лигатур: 50% Си н 50% А1 (температура плавления 575—600°); 90% Си, 10% Р и 80% Си, 20% Мп (температура плавления 860°); 90% Си и 10% Fe (темпе­ ратура плавления 900°); 75% Си и 25% Si (температура плавле­ ния 800°).

Для восстановления окислов металлов в медных сплавах при­ меняют раскислители (фосфористую медь).

Флюсы предохраняют сплавы от окисления и отделяют неме­ таллические примеси. Применяют флюсы, состоящие из стекла, морской соли, гипса, плавикового шпата, поваренной соли, хлорис­

148

того бария, буры и т. д. Для защиты от окисления поверхность расплавленного металла засыпают слоем древесного угля.

Плавка медных сплавов и заливка форм. Для плавки медных сплавов применяют тигельные горны, пламенные печи, дуговые и индукционные электрические печи.

Стационарные тигельные горны применяются для плавки не­ больших количеств металла в закрытом графитовом тигле.

В дуговой электроплавильной печи (рис. 84) металл расплав­ ляется электрической дугой, возникающей между двумя графито­

Рис. 84. Дуговая печь для плавки медных сплавов

выми электродами. После расплавления шихты печь покачивают для перемешивания металла и ускорения плавки.

Индукционная печь с металлическим сердечником пред­ ставляет собой своеобразный понижающий трансформатор, вто­ ричной обмоткой которого является находящийся в печи сплав. Печь работает только при наличии кольца из жидкого металла вокруг футерованной первичной катушки. В этом кольце возбуж­ даются токи, которые превращаются в тепловую энергщо и рас­ плавляют загружаемые шихтовые материалы. Поэтому после окон­ чания плавки из печи выливают металл не полностью; на жидкий сплав, частично оставшийся в печи, загружают отходы медных сплавов.

По мере расплавления первой порции загружается остальная часть шихты, за исключением цинка, олова и свинца, которые так же, как и при работе на других печах, загружаются к концу плав­ ки. Готовый сплав поворотом печи сливают через сливной носок в ковш, часть же сплава (около 20%) оставляют для начала сле­ дующей плавки’.

Жидкотекучесть большинства медных сплавов обеспечивает получение самых тонкостенных отливок. Мелкозернистые формо­ вочные материалы позволяют получать чистую и гладкую поверх-

14S