Производство и классификация чугунных отливок в машиностроении

Чугун является доминирующим материалом в отечественном машиностроении, на долю которого приходится около 70% всех производимых отливок. Стальные отливки составляют примерно 17%, а остальная часть приходится на сплавы цветных металлов. Такое распределение обусловлено оптимальным сочетанием литейных свойств, механических характеристик и стоимости чугуна. Процесс производства чугунных отливок включает несколько критически важных технологических этапов.

Плавка чугуна осуществляется преимущественно в шахтных вагранках, принцип работы которых аналогичен доменным печам. Стальной кожух вагранки футеруется огнеупорным шамотом, а загрузка шихты производится порциями с использованием подъемника. В состав металлической колоши входят чушковые чугуны, чугунный и стальной лом, возврат собственного производства, а также ферросплавы. В качестве топлива используется кокс, а для образования шлака применяется флюс в виде известняка. Современные литейные цеха все активнее используют электропечи (дуговые и индукционные), которые обеспечивают более высокие технико-экономические и экологические показатели.

Структура и свойства чугунной отливки определяются двумя ключевыми факторами: химическим составом и скоростью охлаждения. Графитизирующие элементы, такие как углерод и кремний, способствуют выделению свободного графита. В противоположность этому, сера и хром препятствуют графитизации, способствуя образованию структуры белого чугуна и возникновению отбела. Скорость охлаждения непосредственно влияет на соотношение графита и цементита в структуре. Медленное охлаждение толстых сечений приводит к образованию крупного графита на ферритной основе, а быстрое охлаждение тонких стенок – к формированию перлита и даже отбела.

Для устранения хрупкого отбела отливки подвергают отжигу, включающему нагрев до 900°С, выдержку и медленное охлаждение, в результате чего цементит распадается с образованием хлопьевидного графита. Однако в некоторых случаях, например для поверхностей распределительных валов, получение износостойкого отбеленного слоя является целевым; для этого применяют металлические холодильники. Серый чугун остается самым распространенным и экономичным материалом, обладая превосходными литейными свойствами, включая высокую жидкотекучесть и низкую усадку (около 1%).

Повышение механических свойств серого чугуна достигается путем модифицирования ферросилицием или силикокальцием, что приводит к измельчению структуры. В зависимости от состава и структуры различают несколько видов чугунов. Ферритный серый чугун марок СЧ10 и СЧ15 используется для малоответственных отливок. Перлитно-ферритные чугуны марок СЧ20, СЧ25, СЧ30 применяются для изготовления станин станков и картеров. Перлитный серый чугун (СЧ35) обладает высокой прочностью и используется для ответственных деталей.

Чугун с вермикулярным графитом занимает промежуточное положение, сочетая хорошие литейные свойства с повышенной прочностью и пластичностью (до 3%). Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получают путем модифицирования магнием, церием или иттрием. Этот материал характеризуется повышенной линейной усадкой, что требует применения прибылей, но позволяет производить самые ответственные отливки, такие как коленчатые валы и детали турбин. Ковкий чугун, получаемый путем отжига белого чугуна, используется для деталей, работающих при ударных нагрузках, однако его все чаще заменяют на чугун с вермикулярным графитом из-за сложности технологии. Для работы в экстремальных условиях применяют легированные чугуны, такие как хромистые (ЖЧХ1-ЖЧХ30) и никелевые (ЧНХТ, нирезист, никросилал).

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г., Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г., Третьякова Н.В., и др.

Источник: Основы производства металлов.

Данные публикации будут полезны студентам технических специальностей, начинающим специалистам в области металлургии и машиностроения, а также всем, кто интересуется основами промышленного производства.