Производство отливок из чугуна

Чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления фасонных отливок. В строительной технике (колонны, котлы, ванны, трубы, радиаторы и др.), в металлургической промышленности (изложницы, поддоны, прокатные валки и др.), в транспортном машиностроении (коленчатые валы из высокопрочного чугуна для автомобилей, тракторов и др.).

Кристаллизация и структурообразование чугуна.

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом, которого он содержит в пределах от 2,6 до 4,5 %. В чугуне всегда имеются примеси: 0,5–3,5 % Si; 0,3–1,5 % Mn; до 1,0 % Р и до 0,15 % S. Для улучшения качества чугуна в него могут вводиться легирующие примеси (Ni, Cr, Сu, Mo и др.) – от десятых долей процента до 15 – 20 % в специальных чугунах.

Наиболее важный этап кристаллизации чугуна – эвтектическое превращение, при котором происходит распад жидкости на аустенит и высокоуглеродистую фазу. Последняя и определяет структуру чугуна. Он будет белым, если высокоуглеродистой фазой является цементит, или серым, если высокоуглеродистой фазой является графит. В половинчатом чугуне наряду с графитом находится цементит.

Влияние химического состава на литейные и механические свойства чугуна.

Углерод и кремний – графитизирующие элементы. Для большинства отливок применяют чугуны с содержанием углерода от 2,7 до 3,6 %. Чем больше содержание углерода, тем больше жидкотекучесть чугуна и ниже температура плавления. С увеличением общего содержания углерода понижается механическая прочность чугуна, так как при этом увеличивается количество графита, снижающего прочность металлической фазы. Содержание кремния обычно составляет не более 2,5 %. Марганец и сера – это элементы, тормозящие графитизацию. Увеличение содержания марганца способствует повышению твердости чугуна и ухудшению обрабатываемости.

При повышении содержания серы увеличивается усадка чугуна, снижается его жидкотекучесть, повышается хрупкость. Содержание серы обычно находится в пределах 0,1–0,12 %. Фосфор, подобно сере, уменьшает растворимость углерода в жидком чугуне. Повышение содержания фосфора увеличивает жидкотекучесть чугуна, но при этом возрастает хрупкость металла. Содержание фосфора не превышает 0,25 %, но в отливках для художественного литья и в тонкостенных отливках для предметов народного потребления с целью повышения жидкотекучести содержание фосфора увеличивают до 1,0 – 1,5 %.

Легирующими элементами являются: никель – подобно кремнию графитизатор, способствующий разложению цементита, содержание никеля в серых чугунах составляет 0,3–0,4 %; хром – препятствует графитизации, увеличивает твердость и устойчивость против износа, его обычно вводят в чугун вместе с никелем. При этом достигается измельчение графита и выравнивание твердости в тонких и толстых сечениях.

Влияние скорости охлаждения на свойства чугуна.Чем больше скорость охлаждения, тем больше углерода оказывается в связанном состоянии, в виде цементита, поэтому в тонкостенных отливках возможен отбел. В толстостенных отливках, которые охлаждаются медленнее, наоборот, большая часть углерода выделяется в виде крупных пластинок графита, механические свойства таких отливок низкие.

Классификация и свойства отливок из чугуна. Отливки из серого чугуна с пластинчатым графитом используются главным образом в качестве деталей машин, определяющим для оценки качества чугуна для отливок этой группы являются его механические свойства, регламентируемые ГОСТ 1412-85.

Отливки малой или средней прочности изготавливают из чугунов марок СЧ 10, 15, 20 (условное обозначение марки включает буквы СЧ – серый чугун и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при растяжении в МПа·10-1); отливки повышенной прочности – из низколегированных и модифицированных чугунов СЧ 25, 30, 35.

Отливки из чугуна с шаровидной формой графита делят в зависимости от технологических методов получения структуры на отливки из ковкого чугуна и отливки из высокопрочного модифицированного чугуна. Отливки из ковкого чугуна имеют структуру (хлопьевидный графит), получаемую специальным отжигом отливок, имеющих в литом состоянии структуру белого чугуна. Ковкий чугун в основном используется как конструкционный материал, обладающий ценной комбинацией свойств прочности и пластичности (чугун назван «ковким» из-за способности пластически деформироваться в горячем состоянии, однако, практически такой обработке он не подвергается). Ковкий чугун применяют для изготовления мелких, тонкостенных отливок для сельскохозяйственных машин и автомобилей. Согласно ГОСТ 1215-79 (изменен в 1991 г.), отливки из ковкого чугуна маркируют двумя буквами КЧ, далее следуют две цифры – первая характеризует временное сопротивление при растяжении, а вторая – относительное удлинение, %.

Отливки из высокопрочного модифицированного чугуна имеют шаровидную форму графита в результате введения в жидкий чугун модификаторов: Mg, Ca, Li, Na и др. Наибольшее применение получил магний, при содержании которого 0,03–0,05 % графит кристаллизуется в чугуне в виде шаровидных включений (глобулей). Такой чугун называют магниевым. В отличие от КЧ получение шаровидной формы графита в ВЧ (высокопрочный чугун) практически не ограничивается толщиной стенки и массой отливки. Высокопрочный чугун широко применяется для отливки деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются специальные требования (например, жаропрочность). Согласно ГОСТ 7293-85 маркируют его буквами ВЧ, далее следует цифра, характеризующая временное сопротивление при растяжении.

В белом чугуне нет графита, весь углерод находится в виде цементита, поэтому излом его не серый, что характерно для СЧ и ВЧ, а блестящий белый. Белый чугун применяют как материал, обладающий высокой стойкостью при абразивном износе и сухом трении (детали дробильного оборудования – щеки дробилок, бронь шаровых мельниц, мелющие шары, лопатки шнеков, детали шламовых насосов). Вследствие повышенной хрупкости белого чугуна и трудностей его механической обработки широко используют отливки, в которых отбеленный слой получают только на рабочей поверхности (сердцевина из СЧ), например, прокатные валки, крановые колеса. Для особо жестких условий эксплуатации применяют легированный белый чугун, например, хромоникелевый чугун «нихард», содержащий до 5 % Ni и 2 – 2,5 % Cr.

Плавку чугуна осуществляют в вагранках (коксовых, коксогазовых, газовых), а также в электрических печах (индукционных и дуговых).