Производство отливок из чугунов

Около 72 % всех отливок по массе получают из чугунов: серого (~64 %),' легированного (~4 %), ковкого (~3 %) и высокопроч­ного (~1 %).

Серый чугун — наиболее распространенный литейный сплав. Высокие литейные свойства этого чугуна позволяют получать самые разнообразные литые детали. Отливки хорошо обрабаты­ваются на металлорежущих станках. Литые детали из серого чугуна в среднем дешевле примерно в 1,5 раза, чем стальные, в несколько раз дешевле отливок из цветных сплавов.

Серый чугун с пластинчатым графитом используют главным об­разом для отливок деталей машин. Он обычно содержит 2,2— 3,7 % С, 0,2—1,0 Мп, до 0,3 % Р, до 0,15 %.S. Марки серого чугуна приведены в табл. П5.

Микроструктура чугуна зависит от его химического состава и скорости охлаждения, обратно пропорциональной толщине стенки отливки.

Подробно способы получения различной структуры и ее влия­ние на свойства чугунов рассмотрены во втором разделе гл. XI.

Литейные свойства. Серый чугун имеет высокую жидкотеку­честь и малую усадку. Жидкотекучесть повышается с увеличением содержания С, Si, Р и понижается с увеличением S. Особо высо­кую жидкотекучесть имеет чугун для тонкого художественного литья (1,0—1,2 % Р). При перегреве чугуна выше t_ил его жидко­текучесть повышается.

Модифицирование обеспечивает получение наиболее благо­приятной структуры — с мелкими включениями графита завих­ренной формы и применяется для получения чугунов марок СЧ25— СЧ45 с перлитной основой. Модифицирование осуществляют не­большими добавками 75 %-ного ферросилиция, силикокальция и других модификаторов в количестве 0,3—0,6 % от массы чугуна.

Перегрев чугуна перед модифицированием должен быть тем выше, чем выше марка чугуна. Выдержка чугуна после модифи­цирования должна быть меньше живучести модифицирования, ина­че его эффект исчезнет (5—15 мин.)

Легированные чугуны — хромистые, никелевые и др. применяют для отливок ответственного назначения. Легирование чугунов улучшает механические свойства, коррозионную стойкость, изно­состойкость, жаропрочность и другие свойства. В качестве леги­рующих элементов применяют Ni, Cr, Mo, Mn, Al, Си, Ti. Низ­колегированные чугуны (до 3 % легирующих элементов) полу­чили широкое применение в машиностроении. Эти чугуны дешевле соответствующих сталей и обладают хорошими литейными свой­ствами.

Более широкое применение находят отливки из высоколегиро­ванных чугунов с особыми физическими свойствами, например, кислотостойких (26—36 % Сг), немагнитных (до 12 % Мп, до 2 % Си). Эти чугуны дешевле соответствующих сталей и обладают хорошими литейными свойствами.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность и пластичность, чем серый чугун. Марки высокопрочного чугуна (см. табл. П6). Такой чугун получают модифицированием магнием, иногда Mg—FeSi лигатурой, церием и другими модификаторами, которые вводят в расплавленный чугун, находящийся в ковше. Один из наиболее рациональных способов — модифицирование в специальных автоклавах с дав­лением до 600—800 кПа. Модификатор, например, 0,2—0,4 % Mg от массы чугуна помещают в контейнер с отверстиями, который вводят в жидкий металл. Магний расплавляется, испаряется (t_кип = 1100 °С), его пары проходят через чугун, частично выде­ляясь и сгорая на поверхности. Чугуном «усваивается» до 0,05 % Mg.

Свойства чугуна в основном определяются его металлической основой (перлит, перлит и феррит, феррит) и могут быть значи­тельно улучшены термической обработкой. У некоторых марок чугуна Q_в = 800/1200 МПа.

Из высокопрочных марок чугуна изготавливают коленчатые валы, детали турбин и другие ответственные изделия.

Ковкий чугун с хлопьевидным графитом получают продолжи­тельным отжигом отливок из белого чугуна. Механические свой­ства ковкого чугуна зависят главным образом от его металличе­ской основы. Перлитные чугуны КЧ 45-7 и другие имеют более высокую прочность при пониженной пластичности. Ферритные ковкие чугуны, например, КЧ 37-12, имея меньшую прочность, обладают более высокой пластичностью (табл. П7). В ферритном ковком чугуне при уменьшении размеров и большей степени сфероидизации хлопьевидного графита одновременно повышается прочность и пластичность, что не наблюдается в других чугунах.

Одна из основных особенностей технологии получения ков­кого чугуна состоит в том, что исходный материал — белый чугун, содержащий 2,2—3,2 % С, 0,7—1,4 % Si, <=1 % Мп, до 0,2 % Р, до 0,2 % S, имеет низкие литейные свойства: пониженную жидкотекучесть и значительно большую усадку, чем у серого чугуна. Вторая особенность состоит в том, что отливки из белого чугуна могут быть получены сравнительно небольшой толщины. Практи­чески ковкий чугун применяют для получения отливок с тол­щиной стенки до 30—40 мм и массой до нескольких кило­граммов.

Плавка чугуна. В литейном производстве более 90 % чугуна выплавляют в вагранках. За последние годы очень быстрое раз­витие получила плавка в электрических печах (индукционных и дуговых), обеспечивающая получение чугунов высокого качества. Быстро развивается также дуплекс-процесс, в особенности вариант вагранки — индукционная печь.

Вагранка наиболее распространенной конструкции по­казана на рис. 220. Шихтовые материалы (чугун, kokg и др.) за­гружают сверху через загрузочное окно при помощи бадьи с от­кидным дном. Воздушное дутье подают через фурмы в нижнюю часть печи; в крупных вагранках они размещены в два—три ряда, по три—четыре фурмы в ряду. Расплавленный чугун и шлак сте­кают в горн и далее в копильник, где происходит усреднение хи­мического состава чугуна. Печные газы удаляются в трубу с искрогасителем.

Металлическая часть шихты состоит из литейного и передель­ного чугуна, возврата собственного производства, стального скрапа, добавок ферросплавов и др. Основное топливо — литей­ный кокс с пониженным содержанием серы, которая при плавке частично переходит в металл. В качестве флюса обычно исполь­зуют известняк.

Перед началом работы в нижнюю часть вагранки до уровня на 600 — 800 мм выше

Рис. 220. Схема устройства вагранки е копильником: / —• фундамент; 2 — опорные колонны} 8 — откидная крышка (днище); 4 — под; 5 — воздушные фурмы; 6 — вен» тилятор; 7—шамотная футеровка; 8 —* кожух; 9 — чугунные плиты; 10 — за, грузочное окно; И — искроуловитель? 12 — труба; 13 — загрузочная бадья; 14 — летка вагранки; 15 — копильник? 16 — летка для выпуска шлака; 17 — летка для выпуска чугуна; 18 — ковш

фурм загружают кокс и разжигают его, обра­зуя так называемую холо­стую колошу. Она необхо­дима для того, чтобы чугун и другие материалы распла­влялись в плавильном поя­се — зоне наиболее высоких температур, несколько выше пояса фурм; куски нерасплавившегося чугуна, опус­каясь в горн, вызывали бы его охлаждение.

На холостую колошу по­очередно загружают порции проплавляемого металла, кокса и известняка и т. д.

По ходу плавки, по мере опускания шихтовых материалов, про­водят их дальнейшую систематическую загрузку.

При переплавлении чугуна в вагранке содержание углерода и фосфора в чугуне практически не изменяется, кремний выгорает на 10—15%, марганец — на 15—20%, содержание серы уве­личивается на 30—50 % за счет кокса. Для получения чугуна нуж­ного состава проводят расчет шихты с учетом этих изменений.

Расплавленный чугун выпускают в разливочный ковш, про­бивая и снова заделывая вручную чугунную летку. Шлак по мере необходимости выпускают через шлаковую летку.

За последние годы плавка чугуна в вагранках была значи­тельно усовершенствована. Все шире применяют вагранки более совершенной конструкции — с шахтой конусного профиля, водоохлаждаемой плавильной зоной без футеровки, разделением чу­гуна и шлака при помощи специальных сифонов. Вместо холод­ного дутья применяют горячее дутье с обогащением воздуха ки­слородом. Это позволяет интенсифицировать процессы плавки, повысить производительность вагранок до 80—100 т/ч, снизить расход дорогого и дефицитного кокса. Значительно повышается и качество отливок благодаря получению более «горячего» чугуна (1450—1500 °С).

При добавках к шихте карбида кремния в виде специальных брикетов значительно повышается чистота чугуна по неметалли­ческим включениям, оксидам, растворенным газам.

Плавка чугуна в электрических пе­чах — индукционных и дуговых — приобретает все большее значение в связи с развитием производства модифицированных, высокопрочных и других качественных чугунов.

Наиболее совершенными являются индукционные печи (ти­гельные), обеспечивающие получение точного химического состава чугуна, его рафинирование, высокий перегрев.

Широкое развитие получает дуплекс-процесс, при котором чугун плавят в вагранке, а его доводку, рафинирование, перегрев— в индукционной печи. Такой способ позволяет получать чугун высокого качества при сниженном расходе электроэнергии. При­меняют также комбинированную плавку: дуговая печь — индук­ционная тигельная печь и другие варианты дуплекс-процесса..

Особенности литейных форм. Для серого и высокопрочного чугунов при выборе материалов формы учитывают температуру сплава при заливке, которая составляет обычно для серого чугуна 1200—1400 °С, в случае разливки с перегревом — 1450—1500 °С. При «горячем» чугуне формовочная и стержневая смеси, формовочные краски и припылы должны иметь повышенную термохимическую устойчивость.

При выборе литниковой системы учитывают хорошую жидкотекучесть и малую усадку чугуна. Для простых отливок нередко делают литник с одним питателем. В большинстве случаев чугун подводят в тонкие сечения отливок. При больших и сложных от­ливках применяют литниковые системы с несколькими питателями для равномерного заполнения всех частей формы. Вследствие ма­лой усадки прибыли устраивают только для крупных отливок или для их массивных частей.

Белый чугун имеет пониженную жидкотекучесть и перед за­ливкой его нагревают до 1450—1500 °С. Поэтому формовочные смеси должны иметь повышенную непригораемость. Из-за большой усадки этого чугуна формовочные смеси должны иметь повышен­ную податливость; формы в этом случае имеют большие прибыли.

Заливка чугуна в формы. Небольшие формы заливают из руч­ных ковшей вместимостью 15—50 кг. Для заливки более круп­ных форм используют механизированные ковши барабанного типа вместимостью до 5 т. В таких ковшах меньшая вероятность выплеска и чугун охлаждается медленнее, чем в ковшах с открытой поверхностью. Для предупреждения попадания шлака в ковшах устраивают шлакозадерживающие перегородки.

Кожух ковшей делают из листовой стали, внутри их футеруют огнеупорной шамотной массой, крупные ковши — шамотным кир­пичом. Футеровку ковша сушат и прогревают до 600—800 °С во избежание охлаждения сплава.