Материаловедение и технология конструкционных материалов

си) и свободного графита, имеющего форму изогнутых или. за­ вихренных пластин. При этом количество связанного углерода не превышает 0,8 %, а остальной присутствует в виде графита.

На характер формирования структуры чугуна оказывают влияние многие факторы, но прежде всего это содержание посто­ янных элементов (С, Si, Мп, S, Р), наличие легирующих элемен­ тов, скорость охлаждения отливки, а также состояние расплава перед его заливкой в форму, которое зависит от перегрева распла­ ва, его рафинирования и модифицирования. Под модифицирова­ нием понимают введение в расплав небольших количеств доба­ вок, которые, не меняя состав чугуна, оказывают влияние на зарождение и рост структурных составляющих, а следователь­ но, конечную структуру отливки.

Так как основными факторами, определяющими структуру чугуна, являются химический состав и скорость охлаждения, разработаны структурные диаграммы, связывающие структуру чугуна в отливке с содержанием в нем основных компонентов (С, Si) и толщиной t отливки (рис. 14.3). Углерод и кремний оди­ наково влияют на устойчивость цементита Fe3C. С ростом содержа­ ния этих компонентов он становится неустойчивым и распадается с образованием графита или не образуется вообще, и тогда графит кристаллизуется непосредственно из расплава в ходе эвтектиче­ ского превращения. Поэтому при низком содержании углерода И кремния (зона I на рис. 14.3, а) весь углерод находится в свя­ занном состоянии в виде цементита. Такой чугун имеет светлый излом и называется белым. Его структура состоит из ледебурита и перлита. По мере увеличения содержания углерода и кремния (зона II) устойчивость цементита снижается. В первую очередь это касается цементита, образующегося при эвтектическом распаде расплава при температуре свыше 1100 °С, когда диффузионные процессы происходят быстро. В зоне II структура металлической основы состоит из перлита, в котором располагаются образовав­ шиеся в ходе эвтектического превращения розетки пластинчатого графита. В зоне III основу структуры составляют феррит и розетки пластинчатого графита.

Зоны Па и 116 являются переходными от зоны I к зоне II и от зоны II к зоне III, вследствие чего здесь присутствует смешанная структура. Так, например, в зоне На наряду с участками пер­ литно-графитной структуры присутствуют участки ледебурита.

С, %

C+Si, %

в

II

п+г

Рис. 14.3. Структурные диаграммы:

а — влияние содержания углерода и кремния на структуру чугуна; б — структуры различных зон; в влияние толщины отливки на структуру

чугуна

Существенное влияние на структуру чугуна оказывает и ско­ рость охлаждения (толщина) отливок (рис. 14.3, в). Установ­ лено, что при образовании А -Г эвтектики пластинки графита врастают в расплав, а кристаллизация аустенита несколько от­ стает от роста графита. В расплаве на фронте кристаллизации А -Г розеток происходит диффузионное перераспределение угле­ рода. Если оно не успевает произойти, то распад жидкости проте­ кает с образованием ледебурита. По мере утолщения отливки скорость охлаждения замедляется, что создает предпосылки

процесс зарождения графита и приводит к образованию в струк­ туре ледебурита. С целью устранения этого явления производят модифицирование расплава перед разливкой, для чего в него вводят ферросилиций, содержащий небольшие количества алю­ миния, кальция, церия, бария и стронция. Эти элементы, взаи­ модействуя с примесями чугуна (серой и кислородом), образуют неметаллические включения, «замутняющие» расплав и облег­ чающие процесс зарождения графита. Модифицирование устра­ няет или резко снижает количество ледебурита в структуре чугуна.

Всоответствии с ГОСТ 1412-79 серый чугун обозначается бук­ вами СЧ и дальше цифрами указывается гарантируемое времен­ ное сопротивление при испытании на разрыв в кгс/мм2 (СЧ15, СЧ20...СЧ35, СЧ40). Как следует из приведенных значений, прочность серого чугуна невысока, но он имеет хорошие литей­ ные свойства: хорошую жидкотекучесть, небольшую объемную и линейную усадку, что позволяет получить отливки без прибылей

снизкой вероятностью образования трещин. Серый чугун не склонен к газонасыщению и ликвации. В связи с этим он нашел широкое применение при производстве сложных корпусных де­ талей, не испытывающих при работе бблыпих нагрузок.

Внастоящее время до 90 % всего чугуна выплавляется в вагран­ ках, которые представляют собой шахтные печи непрерывного действия, работающие по принципу противотока. На рис. 14.5, а приведена схема вагранки. Цилиндрический кожух печи 3 опирается на подовую плиту 10 и колонны 11. Внутри вагранка футеруется шамотным кирпичом 6 до уровня загрузочного окна 4, через которое в нее загружается топливо (литейный кокс), ме­ таллическая завалка (чушковый чугун, лом, литники, брако­ ванные детали, отходы производства и ферросплавы) и флюсы (известняк). Расход кокса достигает 20 %, а известняка — 3 %. Воздух, необходимый для горения кокса, поступает под давлени­ ем (0,5... 1) • 104 Па через фурменный пояс 8 и фурмы 7. Расплав­ ленный чугун собирается на лещади 12 и периодически выпуска­ ется через металлическую летку 13. Шлак сливают через шла­ ковую летку 9. Пространство между лещадью и фурмами назы­ вают горном 14, а от горна до загрузочного окна — шахтой 5. Над шахтой располагается труба, по которой газы вместе с пылью попадают в искрогаситель 2, где они омываются водой через форсунки 1 с целью смачивания и осаждения пыли.

Перед началом плавки горн и шахта на высоту около 1 м над уровнем фурм загружаются коксом холостой колоши. Кокс под­ жигают и сверху забрасывают слоями шихту (кокс рабочей ко­ лоши, металлозавалку, известняк).

Рис. 14.5. Печи для плавки чугуна: вагранка; б — канальная индукционная печь

Вагранки имеют высокий КПД (до 46 %) и обеспечивают низ­ кую стоимость чугуна. Основным недостатком этих печей явля­ ется нестабильность состава и температуры, что особенно заметно при неритмичном отборе металла. С целью устранения этого недостатка на современных предприятиях применяют плавку в электродуговых и индукционных печах или дуплекс-процесс вагранка — канальная индукционная печь, которая использу­ ется как в качестве миксера, так и с целью подогрева выплав­ ленного в вагранке чугуна.

Канальная индукционная печь (рис. 14.5, б) работает по принципу трансформатора, у которого вторичная обмотка нахо­ дится в режиме короткого замыкания. Железный сердечник 18, первичная обмотка 20 и кольцо вторичной обмотки 19 заформовывают в набивную кварцитную футеровку 16, внутренняя полость 17 которой служит плавильным пространством. Рас­ плавленный металл сливают через отверстие 21, наклоняя печь с помощью поворотного механизма. Заливку жидкого чугуна и дозагрузку твердой шихты ведут через отверстие в крышке 15. При включении тока вторичная обмотка расплавляется, перегре­ тый металл перемещается по кольцевому каналу, отдавая часть своей теплоты расположенной выше шихте.

14.3. О тливки из ковкого чугуна

Ковкий чугун получают отжигом отливок из белого чугуна, в ходе которого происходят разложение цементита и образование компактного графита. Технологический процесс получения от­ ливок из ковкого чугуна разбивается на две стадии. В ходе пер­ вой получают отливки из белого чугуна, в которых весь углерод находится в связанном состоянии (Fe3C). На второй стадии от­ ливки отжигают, разлагая цементит, в результате чего повыша­ ются механические свойства чугуна и особенно его пластичность. Различают ферритный (КЧ 35) и перлитный (КЧ60) чугуны. Группа цифр (35, 50, 60, 80) маркировки обозначает гаранти­ руемое временное сопротивление в кгс/мм2. Перлитный ковкий чугун отличается высокой прочностью и износостойкостью, но его пластичность низкая и обрабатываемость резанием плохая.

В связи с тем что отливки должны после кристаллизации иметь структуру белого чугуна, содержание углерода и кремния в чугуне должно быть низким, а толщина отливок — небольшой (см. зону I на рис. 14.3). Обычно содержание углерода составляет 2,2...3,0 %, а кремния 0,8...1,4 %, причем высокому содержанию углерода должно соответствовать низкое содержание кремния.

Для отжига белого чугуна на ковкий отливки загружают на платформы или вагонетки с гидравлическим приводом и поднима­ ют в печи колпакового типа. При получении ферритного ковкого чугуна процесс отжига разбивается на две стадии. Структура

исходного белого чугуна, схематическое изображение которой показано на рис. 14.6, содержит два типа цементита: крупные пластины цементита ледебурита и мелкие пластины цементита перлита. Для распада каждого из них требуются выдержки при различных температурах. Нагрев до точки 1 приводит к превра­ щению перлита в аустенит. Выдержка между точками 1 и 2 при температуре 980...1050 °С необходима для распада цементита ледебурита и образования вместо него компактных включений графита. Если после выдержки отливки извлечь на воздух или охладить вместе с печью, то аустенит металлической основы превратится в перлит различной степени дисперсности. В том случае, если отливки выдерживать при температуре 700 °С или медленно охладить их в интервале 730...680 °С, создадутся ус­ ловия для распада цементита перлита и металлическая основа будет ферритной. Реальные структуры белого, ферритного ков­ кого и перлитного ковкого чугунов приведены на рис. 14.4, а и 14.7.

При производстве ковкого чугуна широко применяется его модифицирование тысячными долями процента алюминия, вис­ мута, бора и, реже, титана и теллура, обеспечивающее резкое увеличение числа включений графита, что сокращает продолжи-

Рис. 14.6. Режимы отжига белого чугуна: а — ферритного; б — перлитного

шихту, плавку ведут в печах с основной футеровкой или удаля­ ют серу обработкой шлаковыми смесями. Трудность во введении магния заключается в низкой температуре егО кипения (1107 °С), высокой упругости паров и химической активности, что приво­ дит к выбросам металла из ковша и пироэффекту. Разработано большое количество методов обработки расплава чугуна модифи­ каторами; схемы основных из них представлены на рис. 14.9.

Рис. 14.9. Методы получения высокопрочного чугуна:

а— в ковше; б — в автоклаве; в — в герметизированном ковше;

г— внутриформенным модифицированием

Для модификаторов с низким содержанием магния типа Ni-M g и Fe-Ce-Mg проблем не возникает, так как они практи­ чески не дают пироэффекта и их можно вводить непосредственно под струю при переливе чугуна из печи 1 в ковш 2. Для обработки расплава чистым магнием применяют автоклавы или гермети­ зированные ковши. В первом случае навески магния закрепля­ ются в графитовом колокольчике 4, который с помощью пневма­ тического привода 3 может вводиться в ковш с расплавом чугуна 5, помещенный с помощью тележки 7 в автоклав 6. Избыточное