Технология конструкционных материалов

рыми являются находящиеся в расплаве в виде взвеси неметалличе­ ские включения (сульфиды, оксиды, нитриды). Перегрев расплава до высоких температур и его выдержка в расплавленном состоянии при­ водят к растворению и всплыванию неметаллических включений, что затрудняет процесс зарождения графита и приводит к образованию в структуре ледебурита. С целью устранения этого явления произво­ дят модифицирование расплава перед разливкой, для чего в него вво­ дят ферросилиций, содержащий небольшие количества алюминия, кальция, цезия, бария и стронция. Эти элементы, взаимодействуя с примесями чугуна (серой и кислородом), образуют неметаллические

а

Рис. 13.3. Структурныедиаграммы:

а—влияние содержанияуглеродаи кремния наструктуручугуна; б — струк­ турыразличныхзон; в —влияниетолщины отливки наструктуручугуна

Перед началом плавки горн и шахта на высоту около 1 м над уров­ нем фурм загружаются коксом холостой колоши. Кокс поджигают и сверху забрасывают слоями шихту (кокс рабочей колоши, металлозавалку, известняк).

Вагранки имеют высокий КПД (до 46 %) и обеспечивают низкую стоимость чугуна. Основным недостатком этих печей является не­ стабильность состава и температуры, что особенно заметно при не­ ритмичном 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 используется как в качестве миксера, так и с целью подогрева выплавленного в вагранке чугуна.

Канальная индукционная печь (рис. 13.5, б) работает по принципу трансформатора, у которого вторичная обмотка находится в режиме короткого замыкания. Железный сердечник 18, первичная обмотка 20 и кольцо вторичной обмотки 19заформовывают в набивную кварцитную футеровку 16, внутренняя полость 17которой служит плавильным пространством. Расплавленный металл сливаютчерез отверстие 21, на­ клоняя печь с помощью поворотного механизма. Заливку жидкого чу­ гуна и дозагрузку твердой шихты ведут через отверстие в крышке 75. При включении тока вторичная обмотка расплавляется, перегретый металл перемещается по кольцевому каналу, отдавая часть своей тепло­ ты расположенной выше шихте.

13.3. Отливки из ковкого чугуна

Ковкий чугун получают отжигом отливок из белого чугуна, в ходе кото­ рого происходят разложение цементита и образование компактного графита. Технологический процесс получения отливок из ковкого чу­ гуна разбивается на две стадии. В ходе первой получают отливки из белого чугуна, в которых весь углерод находится в связанном состоя­ нии (Fe3C). На второй стадии отливки отжигают, разлагая цементит, в результате чего повышаются механические свойства чугуна и особен­ но его пластичность. Различают ферритный (КЧ 35-10) и перлитный (КЧ60-2) чугуны. Первая группа цифр (35, 50, 60, 80) маркировки обозначает гарантируемое временное сопротивление в кгс/мм2, а вто­ рая — относительное удлинение в % (10; 5; 3; 1,5). 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. 13.3). Обычно содержание углерода составляет 2,2...3,0 %, а крем­ ния 0,8...1,4 %, причем высокому содержанию углерода должно соот­ ветствовать низкое содержание кремния.

Рис. 13.6. Режимыотжигабелогочугуна: а — ферритного; б —перлитного

Для отжига белого чугуна на ковкий отливки загружают на плат­ формы или вагонетки с гидравлическим приводом и поднимают в печи колпакового типа. При получении ферритного ковкого чугуна про­ цесс отжига разбивается на две стадии. Структура исходного белого чугуна, схематическое изображение которой показано на рис. 13.6, содержит два типа цементита: крупные пластины цементита ледебу­ рита и мелкие пластины цементита перлита. Для распада каждого из них требуются выдержки при различных температурах. Нагрев до точ­ ки 1 приводит к превращению перлита в аустенит. Выдержка между точками 1 и 2 при температуре 980... 1050 °С необходима для распада цементита ледебурита и образования вместо него компактных вклю­ чений графита. Если после выдержки отливки извлечь на воздух или охладить вместе с печью, то аустенит металлической основы превра­ тится в перлит различной степени дисперсности. В том случае, если

ке 4, который с помощью пневматического привода 3 может вводить­ ся в ковш с расплавом чугуна 5, помещенный с помощью тележки 7

вавтоклав 6. Избыточное давление порядка 0,5 МПа исключает бур­ ное кипение магния и выброс металла из ковша.

Эта же цель достигается и при использовании герметизированного 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

ввертикальное положение начинается прогрев, испарение магния и его усвоение расплавом. Перед заливкой чугуна крышку с горлови­ ны удаляют.

Весьма перспективным считается внутриформенное модифицирова­ ние, при котором кальциево-магниевая лигатура на основе ферросили­ ция в измельченном состоянии засыпается в реакционную камеру 13 литниковой системы. Металл, проходя из стояка 12 в шлакоулови­ тель 14и далее в полость формы 15, растворяет модификатор.

Магний и особенно церий стабилизируют цементит. Поэтому со­ держание углерода и кремния в высокопрочном чугуне поддерживают на верхнем пределе (до 3,8 и 3 % соответственно). Кроме того, после

модифицирования с целью сфероидизации графита расплав дополни­ тельно модифицируют ферросилицием для устранения или уменьше­ ния отбела.

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

Основная область применения высокопрочного чугуна — высоконагруженные ответственные детали сельскохоязйственной техники, коленчатые валы двигателей, металлургическое оборудование. Пла­ вят высокопрочный чугун в электродуговых и индукционных печах с основной футеровкой, хотя в отдельных случаях используют и ва­ гранку, футеруя ее магнезитом.

Чугун с вермикулярным графитом занимает промежуточное поло­ жение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом, со­ четая хорошие литейные свойства с высокой прочностью, ударной вязкостью и теплопроводностью. Этот материал считается хорошим заменителем чугуна для деталей дизелей, испытывающих термоцик­ лические нагрузки, таких как блоки и головки цилиндров.

По структуре чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) является недомодифицированным высокопрочным чугуном. Форма графита в нем не столь совершенна, наряду со сферическими включениями графита встречаются пластинчатые. Вся трудность в производстве этого чугуна заключается в узком интервале стабильности эффекта модифицирования. Колебания по содержанию магния приводят к об­ разованию или чисто сферической формы графита, или пластинча­ той. Задачу решают двумя способами. В первом случае используют более слабые сфероидизаторы графита (Се и Са), а во втором — моди­ фицируют расплав до гарантированного получения шаровидного гра­ фита и добавляют деглобуляризаторы (Ti, AI, Sb).

Плавка чугуна с вермикулярным графитом аналогична плавке вы­ сокопрочного чугуна.

13.5. Отливки из стали ицветныхсплавов

Литейные стали относятся к многокомпонентным железоуглероди­ стым сплавам, содержание углерода в которых ограничивается 2 %. Однако большинство сталей содержит десятые доли процента углеро­ да. В качестве примесей они содержат марганец, кремний, серу, фос­ фор и другие элементы.

Стальные отливки классифицируют по составу, структуре, назначе­ нию и способу выплавки стали, виды классификации и соответствую­ щие марки сталей были рассмотрены в разделе I. Печи и технология выплавки стали были рассмотрены в разделе II. Здесь же будут кратко рассмотрены маркировка литейных углеродистых сталей и их литей­ ные свойства.

Нелегированные литейные стали в зависимости от содержания уг­ лерода делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые

(0,3...0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С). Углерод является основным элементом, определяющим механические и литейные свой­ ства стали, поэтому его содержание в сотых долях процента указывает­ ся в марке стали (20JI, 45JI, 65Л). Всего существуетдевять марок.

По мере увеличения содержания углерода (с 0,2 до 0,5 %) моно­ тонно от 400 до 600 МПа возрастает ст в и с 25 до 5 % уменьшается от­ носительное удлинение.

Литейные свойства сталей низкие. Они имеют линейную усадку 2,5 %, объемную — 7,5 %, вследствие чего при изготовлении отливок