Материаловедение и технология конструкционных материалов

давление порядка 0,5 МПа исключает бурное кипение магния и выброс металла из ковша.

Эта же цель достигается и при использовании герметизиро­ ванного поворотного ковша. Магний 9 укладывают в специальной камере, закрываемой плотной крышкой 8, после чего в ковш 11 заливают расплав чугуна и горловину закрывают крышкой 10, оборудованной надежным креплением к корпусу ковша. После поворота ковша в вертикальное положение начинается прогрев, испарение магния и его усвоение расплавом. Перед заливкой чугуна крышку с горловины удаляют.

Весьма перспективным считается внутрифирменное модифи­ цирование, при котором кальциево-магниевая лигатура на основе ферросилиция в измельченном состоянии засыпается в реакцион­ ную камеру 13 литниковой системы. Металл, проходя из стояка 12 в шлакоуловитель 14 и далее в полость формы 15, растворяет мо­ дификатор.

Магний и особенно церий стабилизируют цементит. Поэтому содержание углерода и кремния в высокопрочном чугуне поддер­ живают на верхнем пределе (до 3,8 и 3 % соответственно). Кроме того, после модифицирования с целью сфероидизации графита расплав дополнительно модифицируют ферросилицием для уст­ ранения или уменьшения отбела.

Литейные свойства высокопрочного чугуна лучше, чем у ков­ кого, но для него характерно Появление в изломе массивных частей отливки так называемых «черных пятен» — продуктов взаимо­ действия магния с серой и кислородом, смешанных с графитом.

Основная область применения высокопрочного чугуна — высоконагруженные ответственные детали сельскохозяйственной техники, коленчатые валы двигателей, металлургическое обору­ дование. Плавят высокопрочный чугун в электродуговых и индук­ ционных печах с основной футеровкой, хотя в отдельных случаях используют и вагранку, футеруя ее магнезитом.

Чугун с вермакулярны м графитом занимает промежуточ­ ное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом, сочетая хорошие литейные свойства с высокой проч­ ностью, ударной вязкостью и теплопроводностью. Этот материал считается хорошим заменителем чугуна для деталей дизелей, испытывающих термоциклические нагрузки, таких как блоки и головки цилиндров.

По структуре чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) явля­ ется недомодифицированным высокопрочным чугуном. Форма графита в нем не столь совершенна, наряду со сферическими включениями графита встречаются пластинчатые. Вся труд­ ность в производстве этого чугуна заключается в узком интер­ вале стабильности эффекта модифицирования. Колебания по со­ держанию магния приводят к образованию или чисто сфериче­ ской формы графита, или пластинчатой. Задачу решают двумя способами. В первом случае используют более слабые сфероидизаторы графита (Се и Са), а во втором — модифицируют расплав до гарантированного получения шаровидного графита и добав­ ляют деглобуляризаторы (Ti, Al, Sb).

Плавка чугуна с вермикулярным графитом аналогична плавке высокопрочного чугуна.

14.5. Отливки из стали и цветных сплавов

Литейные стали относятся к многокомпонентным железо­ углеродистым сплавам, содержание углерода в которых ограни­ чивается 2 %. Однако большинство сталей содержит десятые доли процента углерода. В качестве примесей они содержат марганец, кремний, серу, фосфор и другие элементы.

Стальные отливки классифицируют по составу, структуре, назначению и способу выплавки стали. Виды классификации и соответствующие марки сталей были рассмотрены в разделе I. Печи и технология выплавки стали были рассмотрены в разделе II. Здесь же будут кратко рассмотрены маркировка литейных угле­ родистых сталей и их литейные свойства.

Нелегированные литейные стали в зависимости от содержания углерода делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеугле­ родистые (0,3...0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С). Углерод является основным элементом, определяющим механи­ ческие и литейные свойства стали, поэтому его содержание в сотых долях процента указывается в марке стали (20JI, 45JI, 65JI). Всего существует девять марок.

По мере увеличения содержания углерода (с 0,2 до 0,5 %) монотонно от 400 до 600 МПа возрастает о ,и с 25 до 5 % умень­ шается относительное удлинение.

Литейные свойства сталей низкие. Они имеют линейную усад­ ку 2,5 %, объемную — 7,5 %, вследствие чего при изготовлении отливок из сталей необходима установка прибылей, а сами от­ ливки склонны к короблению и трещинообразованию. Жидкоте­ кучесть сталей низкая, и, кроме того, они склоны к образованию на поверхности отливок оксидных пленок, что усложняет борьбу с пригаром и способствует образованию шлаковых включений. Стали склонны к газонасыщению, что обусловливает появление газовых раковин в отливках. Литейные свойства улучшаются по мере роста содержания углерода.

Сплавы на основе алюминия, магния, меди и титана были рассмотрены в разделе I, где приведены не только маркировка сплавов, но и их свойства, в том числе и литейные. Поэтому ни­ же будут рассмотрены только особенности плавки этих сплавов и печи, применяемые для плавки.

Плавку медных сплавов ведут в индукционных (тигельных и канальных), пламенных отражательных и электродуговых пе­ чах с независимой дугой. Футеруют печи шамотом или кварцем. Устройство и принцип работы индукционных и пламенных печей рассмотрены выше, а схема электродуговой печи с независимой дугой приведена на рис. 14.10, а.

Стальной кожух барабанного типа 3 футеруется внутри огне­ упорным кирпичом 1. Через загрузочное окно (на схеме не пока­ зано) шихта загружается под расположенные горизонтально вдоль по продольной оси печи угольные электроды 2. Электриче­ ская дуга 6 горит между электродами, и теплота, отражаясь от футеровки, нагревает и плавит шихту 4. Для удобства загрузки

Рис. 14.10. Печи для плавки цветных металлов:

а — электродуговая с независимой дугой; б — электрическая отражатель­

ная сопротивления

344 Раздел III. Литейное производство

шихты и выдачи металла печь устанавливается на роликах 5, что облегчает ее поворот вокруг продольной оси. Печи с независимой дугой удобны для плавки медных сплавов, содержащих легкоиспаряющиеся металлы (например, цинк в латунях).

При плавке медных сплавов на воздухе происходит окисление примесей с более высоким сродством к кислороду, чем у меди (Al, Be, Zn), в результате чего затрудняется получение стабиль­ ного по составу сплава и возможно появление плен и шлаковых включений из оксидов примесных металлов. Медные сплавы, кроме латуней, интенсивно поглощают водород, следствием чего является газовая пористость в отливках. Особенно часто это на­ блюдается в кремнистых и алюминиевых бронзах.

Для защиты от окисления плавку ведут под покровом древес­ ного угля или флюсов на основе фторидов, стекла и соды. Окон­ чательное раскисление осуществляют с помощью ОД...0,15 % фосфора, который вводят в виде фосфористой меди. Продувка инертными газами, вакуумирование и обработка флюсами сни­ жают содержание газо'в и способствуют удалению включений.

Введение 0,1...0,2 % тугоплавких элементов, таких как титан, молибден, ванадий, цирконий, бор, оказывает модифицирующий эффект и заметно измельчает зерно, а добавки церия нейтрали­ зуют вредное влияние висмута, сурьмы и свинца на механиче­ ские свойства сплавов.

Сплавы на основе алюминия также можно плавить в тигельных индукционных печах, пламенных отражательных и тигельных, но наиболее качественный расплав получается в электрических отражательных печах сопротивления (рис. 14.10, б). Футеровка 7

вэтих печах выполняется из шамотного кирпича или графитовой массы. В своде печи закрепляют блоки из шамота, в которые укла­ дывают электрические нагреватели сопротивления 8. Загрузка печи ведется через окно 9. При этом шихта для подогрева и удале­ ния влаги укладывается на откосы 10, после чего сталкивается

вванну расплавленного металла 11. Плавка в отражательных печах способствует отстаиванию расплава, в ходе которого об­ легчается всплывание и флюсование неметаллических включе­ ний, преимущественно А120 3.

Алюминиевые сплавы растворяют в расплавленном состоя­ нии большое количество водорода. Для защиты от насыщения водородом их плавку ведут под слоем флюсов, представляющих

собой смесь хлоридов натрия и калия. Для алюминиево-магние- вых сплавов защита создается из смеси карналлита и фторидов кальция и магния. Если по каким-то причинам применение флюсов нежелательно, успешной защиты можно добиться вве­ дением до 0,06 % бериллия, который образует на поверхности расплава труднопроницаемую для газов пленку оксида.

Так как полностью исключить насыщение алюминиевых спла­ вов водородом в процессе плавки не удается, расплав подвергают рафинированию, включающему продувку инертными (гелий, аргон) и активными (хлор) газами или обработку флюсами и выдержку в вакууме.

Эффективным способом очистки от неметаллических вклю­ чений и плен является фильтрование расплава через сетчатые, зернистые или пористые фильтры.

Алюминиевые сплавы модифицируют с целью измельчения первичной структуры и размера хрупких включений (например, кремния), входящих в состав эвтектик. Для измельчения струк­ туры в расплав вводят тугоплавкие металлы (Ti, В, V), которые образуют тугоплавкие интерметаллиды, облегчающие зарожде­ ние твердых растворов на базе алюминия. Для измельчения включений кремния в эвтектике силуминов широко применяет­ ся модифицирование натрием, который вводится в чистом виде или в виде смеси хлористого и фтористого натрия.

Плавка магниевых сплавов сопряжена с трудностями, вызван­ ными их легкой окисляемостью. Рыхлая пленка оксидов, образую­ щаяся на поверхности расплава, не предохраняет его от дальней­ шего окисления. Не исключается и возможность воспламенения расплава и даже мелкой шихты при ее нагреве в печи. Расплав­ ленный магний не только интенсивно окисляется, но и взаимодей­ ствует с азотом и поглощает в больших количествах водород. Образующиеся неметаллические включения трудно удаляются из расплава, способствуя образованию микропористости в отлив­ ках и снижению механических свойств.

Плавку магниевых сплавов ведут в среде защитных газов или под слоем флюса. Состав флюса выбирается в зависимости от марки сплава, но обычно это смесь солей (MgCl2, КС1, ВаС12, CaFe2, СаС12), иногда с добавкой MgO.

Известны три способа плавки магниевых сплавов: в стацио­ нарных тиглях, выемных тиглях и дуплекс-процессом индукци­

онная печь — тигель. Тигли изготавливают из стали, так как магний не взаимодействует с железом. После расплавления шихты расплав доводят по химическому составу, рафинируют свежим флюсом, модифицируют мелом, мрамором или магнези­ том и отстаивают для удаления из расплава замешанного флюса и неметаллических включений, после чего приступают к разливг ке. Очень часто расплав очищают фильтрованием или устанавли­ вают в литниковой системе фильтрующие элементы.

Плавка титана и его сплавов также сопряжена с большими трудностями, так как при высоких температурах он активно взаимодействует с азотом и кислородом и, кроме того, со всеми огнеупорными материалами. Поэтому для выплавки титановых сплавов применяют вакуумные гарнисажные дуговые печи с рас­ ходуемым электродом. Разливка титановых сплавов осуществля­ ется в массивные медные или тонкостенные водоохлаждаемые формы. Иногда для этой цели используется плотный графит или оболочковые формы из смеси высокоогнеупорных нейтральных оксидов и графитового порошка. Связующим является фенолформальдегидная смола.

15 СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЛИТЬЯ

Обшее понятие о специальных 15.1. способах литья

Эти способы отличаются от литья в разовые песчаные формы по одному или нескольким признакам: конструкции формы, ее материалу, использованию внешних сил при заполнении формы и затвердевании в ней отливок. Одни из них основаны на приме­ нении постоянных форм, другие — разовых. При этом заполнение форм и затвердевание отливок в них может происходить под дей­ ствием сил тяжести, центробежных сил, вакуума, избыточного давления, создаваемого воздухом или поршнем.

Классификация известных специальных способов литья (да­ леко не полная) приведена на рис. 15.1.

Необходимо отметить условность приведенной классифика­ ции. Так, например, литье под низким давлением можно рас­ сматривать и как самостоятельный способ литья, и как разновид­ ность литья поД давлением с регулированием газового давления по ходу заполнения формы. Или другой пример: в разовых пес­ чаных формах для выравнивания скоростей охлаждения различ­ ных зон отливки используют холодильники. По мере увеличения площади поверхности отливки, образуемой холодильником, разо­ вая форма трансформируется в постоянную с песчаной вставкой для утепления тонких сечений. С другой стороны, облицованные металлические формы по мере роста толщины покрытия транс­ формируются в разовые с опорным слоем.

Технологические особенности, преимущества и недостатки специальных методов литья определяют область применения ка­ ждого из них. Общим для них является то, что все они относятся к прогрессивным материало-, энерго- и трудосберегающим техно­ логическим процессам, позволяющим получать отливки с конфи­ гурацией, размерами и чистотой поверхности более высокими, чем в случае применения разовых форм. Экономичность примене­ ния этих методов растет с увеличением числа отливок в партии, т.е. с переходом от мелкосерийного к массовому производству.

15.2. Литье в постоянные формы

К методам литья в постоянные формы можно отнести кокиль­ ное литье, литье под давлением, центробежное, непрерывное литье, литье вакуумным воасыванием, выжиманием, методом жидкой прокатки, намораживанием, электрошлаковое литье. Особенностью данных методов литья является многократное использование форм, как правило, металлических.

15.2.1.Кокильное литье

Кокиль представляет собой металлическую литейную форму из чугуна, стали или, реже, цветных сплавов, в полость которой расплав подается под действием силы тяжести. В отличие от разо­ вой песчано-глинистой формы металлическая используется мно­ гократно. При изготовлении полых отливок из черных сплавов используют разовые стержни, для цветных сплавов возможно применение металлических стержней, которые извлекают из отливки после образования прочной корки твердого металла на

ееповерхности. Производство отливок в кокилях имеет свои технологические особенности.

Первой из них является окраска рабочей поверхности и лит­ никовых каналов формы специальными красками, которые сни­ жают перепад температур по сечению формы, предохраняют ее от термических ударов, размывающего действия струи заливае­ мого расплава и, следовательно, увеличивают срок ее службы.

Вторая особенность технологического процесса заключается в том, что для создания идентичных условий затвердевания отливой в течение всей смены кокиль перед употреблением подог­ ревают до определенной температуры. При заливке чугуна это уменьшает опасность появления «отбела» (структуры ледебури­ та) в поверхностных слоях отливки.

Третья особенность — неподатливость и негазопроницаемость формы, что требует увеличить уклоны на поверхностях отливки, перпендикулярных плоскости разъема формы, применять раннюю выбивку отливок и устанавливать венты или изготавливать ка­ налы по разъему формы для удаления воздуха из карманов.

Интенсивный теплообмен между затвердевающей отливкой и формой (четвертая особенность) обеспечивает плотную мелко­