Сделай Сам Свою Работу на 5

Понятие литейного производства

Лекция 1

Основные понятия литейного производства

План лекции

1. Понятие литейного производства.

2. Краткий исторический обзор развития литейного производства. Роль российских ученых в развитии научных основ и организации производства отливок и слитков.

3. Классификация литейных сплавов и области их применения.

Современную жизнь невозможно представить себе без металлов. Металлы являются основой технического прогресса, фундаментом материальной культуры всего человечества. Но металл становится полезным человеку только тогда, когда из него получили изделия. Существует три основных вида получения изделий из металлов. Это литейное производство, обработка металлов давлением и обработка металлов резанием. Курс «Литейное производство» посвящен первому виду металлообработки.

В настоящем конспекте лекций достаточно подробно рассматриваются теоретические основы литейного производства, кроме того, описываются технологические процессы получения различных изделий и применяемые при этом оборудование и инструмент.

Конспект лекций посвящен литейному производству черных и цветных металлов. В нем изложены основы теории, технологические процессы и оборудование, предназначенное для получения отливок различными способами (в разовые песчано-глинистые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением и др.).

Главное внимание при изложении материала уделено рассмотрению физического и физико-химического существа процессов той или иной технологии, особенностям конструирования оснастки, назначению технологических режимов, применяемому оборудованию и средствам автоматизации.

Наряду с изложением конкретного материала для каждого технологического способа получения заготовок особое внимание уделяется основным «узким» местам, проблемам технологических процессов, анализу путей и средств их решения для получения изделий заданного качества и достижения высокой эффективности производства; на основе такого же подхода рассмотрены и перспективы развития каждого процесса.



Понятие литейного производства

Сущность литейного производства сводится к получению жидкого, т.е. нагретого выше температуры плавления, сплава необходимого состава и качества и заливке его в заранее приготовленную форму. После охлаждения металл затвердевает и сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит. Таким образом, чтобы изготовить отливку, необходимо:

 

1) определить материалы, которые нужно ввести в шихту для плавки, произвести их расчет, подготовить эти материалы (разделать на куски, отвесить нужное количество каждого компонента); загрузить материалы в плавильную печь;

2) осуществить плавку – получить жидкий металл необходимой температуры, жидкотекучести, должного химического состава, без неметаллических включений и газов, способный при затвердевании образовать мелкокристаллическую структуру без дефектов с достаточно высокими механическими свойствами;

3) до окончания плавки приготовить литейные формы (для заливки в них металла), способные, не разрушаясь, выдерживать высокую температуру металла, его гидростатическое давление и размывающее действие струи, а также способные пропускать через поры или каналы выделяющиеся из металла газы;

4) произвести выпуск металла из печи в ковш и доставить его к литейным формам; выполнить заливку литейных форм жидким металлом, не допуская перерывов струи и попадания в форму шлака;

5) после затвердевания металла раскрыть формы и извлечь из них отливки;

6) отделить от отливки все литники (металл, застывший в литниковых каналах), а также образовавшиеся (при некачественной заливке или формовке) приливы и заусеницы;

7) очистить отливки от частиц формовочной или стержневой смеси;

8) осуществить контроль качества и размеров отливок.

В настоящее время наибольшее число отливок получают в разовых (песчаных) формах, выполняемых из формовочной смеси, состоящей из кварцевого песка, огнеупорной глины и специальных добавок. После затвердевания металла форму разрушают и извлекают отливку. Кроме разовых, применяют полупостоянные формы, изготовленные из высокоогнеупорных материалов (шамота, графита и др.), они используются для заливки нескольких десятков (50–200) отливок, и постоянные формы – металлические, они служат для получения нескольких сотен, а иногда и тысяч отливок до износа формы. Выбор литейной формы зависит от характера производства, рода заливаемого металла, требований, предъявляемых к отливке.

 

Литейное производство является одним из самых древних видов искусства обработки металлов, с которым познакомилось человечество. Многочисленные археологические находки, обнаруженные при раскопках курганов в различных пунктах нашей страны свидетельствуют, что и в Древней Руси медное и бронзовое литье производилось в достаточно большом количестве (котелки, наконечники стрел, украшения – серьги, запястья, кольца, головные уборы и др.). При раскопках обнаружены были уцелевшие горны и печи, каменные формочки, служившие для отливки полых топоров, колец, браслетов, металлических бус, крестов и др. Однако большая часть найденных в Древней Руси отливок была получена литьем по восковой модели.

Оригинален способ изготовления модели: из провощенных шнуров сплетали узор, представляющий копию будущего изделия; на эту восковую модель наносили глину, пока не получалась достаточно прочная форма, после высушивания форму прокаливали, воск выплавлялся, а шнуры выгорали, в образовавшуюся полость заливали металл, после охлаждения получалась отливка сложных очертаний.

В ХI в. на Руси возникли местные производственные центры для отливки предметов церковного (медные кресты, колокола, образки, подсвечники и др.) и домашнего (котелки, рукомойники и др.) обихода. Помимо Киева, Новгорода Великого, крупными центрами по выпуску медно-литых изделий стали Устюг Великий, Тверь. Татарское нашествие вызвало застой, продолжавшийся до середины ХIV в., после чего начался подъем литейного производства. Это объясняется тем, что создалось централизованное крупное государство, в связи с чем начали развиваться города и потребовалось вооружение, теперь уже огнестрельное. С производства сварных пушек перешли на бронзовые – литые, отливали колокола, создавали медно-литейные мастерские художественного литья. К середине ХVI в. московская артиллерия занимала в количественном отношении первое место среди артиллерии европейских государств.

Петровская эпоха представляет скачок в развитии литейного производства. Были созданы большие тульские и калужские заводы Никиты Демидова и Ивана Баташова. Первые стальные отливки были получены во второй половине ХIХ в. почти одновременно в различных странах Европы. В России их изготовили в 1866 г. из тигельной стали на Обуховском заводе. Однако качество отливок оказалось низким, так как литейные свойства стали значительно уступали свойствам чугуна. Благодаря работам русских ученых металлургов А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого, которые объяснили явления ликвации и представили механизм возникновения усадочных и газовых раковин, а также разработали меры борьбы с ними, в полной мере раскрылись достоинства стальных отливок. Поэтому фасонные отливки, полученные А.А. Износковым из мартеновской стали на Сормовском заводе в 1870 г., оказались такого высокого качества, что демонстрировались на выставке в Санкт-Петербурге.

После выхода научных трудов основоположника металлографии Д.К. Чернова, создавшего науку о превращениях в сплавах, об их кристаллизации, структуре и свойствах, начали применять термическую обработку, которая улучшила качество стального литья. Теория металлургических процессов была введена в высшей школе А.А. Байковым в 1908 г. в Петербурском Политехническом институте. В период с 1927 по 1941 гг. происходит невиданный для прежней России рост промышленности, строятся крупнейшие механизированные заводы. Строятся и пускаются литейные цехи, работающие на поточном режиме, с высокой степенью механизации, с конвейерами, с годовым выпуском до 100 тыс. т литья.

Одновременно проводятся научно-исследовательские работы, создаются теории рабочих процессов и методов расчета литейного оборудования. Формируется научная школа Московского высшего технического училища, основанная и возглавляемая проф. Н.П. Аксеновым.

Широкое распространение литейного производства объясняется большими его преимуществами по сравнению с другими способами производства заготовок (ковкой, штамповкой). Литьем можно получить заготовки практически любой сложности с минимальными припусками на обработку.

Кроме того, производство литых заготовок значительно дешевле, чем, например, производство поковок. Развитие литейного производства до наших дней проходило по двум направлениям:

1) разработка новых литейных сплавов и металлургических процессов;

2) совершенствование технологии и механизации производства.

Большие успехи были достигнуты в области изучения и улучшения механических и технологических свойств серых чугунов – наиболее распространенных и дешевых литейных сплавов. Все большее распространение получают и совершенствуются специальные виды литья: кокильное, под давлением, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям и др., обеспечивающие получение точных отливок и, следовательно, уменьшение затрат на обработку резанием.

 

В среднем на долю литых деталей приходится около 50 % массы машин и механизмов, а их стоимость достигает 20–25 % от стоимости машин. В зависимости от метода получения литых заготовок сплавы подразделяют на литейные и деформированные. Литейные сплавы либо приготовляют из исходных компонентов (шихтовых материалов) непосредственно в литейном цехе, либо получают с металлургических комбинатов в готовом виде и только переплавляют перед заливкой в литейные формы. Как в первом, так и во втором случае отдельные элементы в процессе плавки могут окисляться (угарать), улетучиваться при повышенных температурах (возгоняться), вступать в химическое взаимодействие с другими компонентами или с футеровкой печи и переходить в шлак.

Для восстановления требуемого состава сплава потери отдельных элементов в нем компенсируют, вводя в расплав специальные добавки (лигатуры, ферросплавы), приготовляемые на металлургических предприятиях. Лигатуры содержат помимо легирующего элемента также и основной металл сплава, поэтому они легче и полнее усваиваются расплавом, чем чистый легирующий элемент. При плавке сплавов цветных металлов применяют лигатуры: медь–никель, медь–алюминий, медь–олово, алюминий–магний и др.

При литье черных сплавов широко используют ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферровольфрам и др.) для введения легирующих элементов, а также для раскисления расплава. В процессе раскисления элементы, содержащиеся в ферросплавах, выполняют роль восстановителей: они соединяются с кислородом оксида, растворенного в расплаве, восстанавливают металл, а сами, окислившись, переходят в шлак. Очищение (рафинирование) расплава раскислением способствует значительному улучшению качества металла отливки, повышению его прочности и пластичности. Ряд сплавов, а также неметаллических материалов (солей и др.) используют в качестве модификаторов, которые при введении в литейный сплав в небольших количествах существенно влияют на его структуру и свойства, например, измельчают зерно и способствуют повышению прочности металла. Так, для получения высокопрочного чугуна используют модифицирование магнием.

Основными критериями качества литого металла являются механические свойства, показатели структуры, жаростойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и др., заданные в технических требованиях.

Сплавы принято разделять, как и металлы, прежде всего на черные и цветные, причем в последние входят и легкие сплавы. Сплавы подразделяют на группы в зависимости от того, какой металл является основой сплава.

 

Наиболее важными группами сплавов считаются следующие:

чугуны и стали – сплавы железа с углеродом и другими элементами;

сплавы алюминия с различными элементами;

сплавы магния с различными элементами;

бронзы и латуни – сплавы меди с различными элементами.

В настоящее время наиболее широкое применение находят сплавы первой группы, т.е. сплавы черных металлов: около 70 % всех отливок по массе изготовляют из чугуна и около 20 % – из стали. На долю остальных групп сплавов приходится сравнительно небольшая часть общей массы отливок.

В химическом составе сплава различают основные элементы (например, железо и углерод в чугуне и стали), постоянные примеси, наличие которых обусловлено процессом производства сплава, и случайные примеси, попавшие в сплав вследствие тех или иных причин. К вредным примесям в стали и чугуне относятся сера, фосфор, закись железа, водород, азот и неметаллические включения. Вредными примесями в медных сплавах являются закись меди, висмут и в некоторых из них – фосфор. Резко ухудшают свойства оловянной бронзы примеси алюминия и железа, а в алюминиевой бронзе, наоборот, – олово. В алюминиевых сплавах должно быть ограничено содержание железа, в магниевых, кроме того, – меди, никеля и кремния. Газы и неметаллические включения во всех сплавах являются вредными примесями.

Требования к каждому литейному сплаву специфичны, однако существует и ряд общих требований:

1. состав сплава должен обеспечивать получение заданных свойств отливки (физических, химических, физико-химических, механических и др.);

2. сплав должен обладать хорошими литейными свойствами – высокой жидкотекучестью, несклонностью к насыщению газами и к образованию неметаллических включений, малой и стабильной усадкой при затвердевании и охлаждении, несклонностью к ликвации и образованию внутренних напряжений и трещин в отливках;

3. сплав должен быть по возможности простым по составу, легко приготовляться, не содержать токсичных компонентов, не выделять при плавке и заливке сильно загрязняющих окружающую среду продуктов;

4. сплав должен быть технологичным не только в изготовлении отливок, но и на всех последующих операциях получения готовых деталей (например, при обработке резанием, термообработке и т.д.);

5. сплав должен быть экономичным: содержать по возможности меньшее количество дорогостоящих компонентов, иметь минимальные потери при переработке его отходов (литников, брака).

Контрольные вопросы и задания

1. Какова история развития литейного производства в России?

2. Какова роль русских ученых в развитии научных основ и организации производства отливок из сплавов черных и цветных металлов?

3. Каковы методы получения литых заготовок?

4. Какие литейные формы можно использовать для получения фасонных отливок?

5. Каким образом классифицируют литейные сплавы?

6. Каковы требования к литейным сплавам?

7. Перечислите основные области применения литейных сплавов.

8. В чем заключается сущность литейной технологии?

 

Литейными называют ряд свойств металлов и сплавов, определяющих их технологичность в литейных процессах, т. е. пригодность для получения из них отливок необходимой конфигурации, с высокими эксплуатацион­ными свойствами, заданной размерной точностью и требуемым качеством поверхности. Литейные свойства проявляются как в расплавах, так и на всех стадиях их затвердевания и охлаждения. Важнейшими литейными свойствами сплавов являются жидкотекучесть, усадка, склонность к образованию неметаллических включений, к поглощению газов, ликвации, склонность к образованию внутренних напряжений, трещин и склонность к образованию трещин и отбелу.

Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки. При низкой жидкотекучести движение расплава в форме может прекратиться раньше, чем она будет заполнена.

На жидкотекучесть оказывают влияние многие факторы, связанные со свойствами, состоянием и строением расплава. Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д. Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектоидные сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твёрдые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме; с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет её лучше, чем металлическую форму. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы.

Жидкотекучесть определяют по технологической пробе и оценивают по длине спирального или прямолинейного канала, заполненного расплавом в контрольной форме. Прутковую пробу чаще всего применяют для исследования жидкотекучести цветных сплавов, а спиральную – для исследования жидкотекучести чугуна.

В зависимости от температурных условий различают сравнение сплавов по значениям их практической и истинной жидкотекучести. Практическая жидкотекучесть определяется при одинаковой для сплавов данной системы температуре заливки. На слайде приведена диаграмма состояния сплавов с эвтектическим превращением. При определении практической жидкотекучести температура заливки для всех сплавов системы равна. Таким образом, сплавы разного состава с теплофизической точки зрения находятся в разных условиях. Так, например, при переходе от чистого металла А к сплаву эвтектического состава (сплав 2) перегрев над линией ликвидуса увеличивается, а при переходе о сплава 2 в чистому металлу В перегрев уменьшается. Таким образом, практическая жидкотекучесть не характеризует истинную способность сплава заполнять форму.

 

Для того, чтобы сравнить сплавы по их истинной жидкотекучести, необходимо выбирать температуру заливки при испытаниях таким образом, чтобы был обеспечен одинаковый перегрев над линией нулевой жидкотекучести. Нулевой жидкотекучестью называют температуру, при которой сплав или металл перестает течь в канале литейной формы. Однако, температура нулевой жидкотекучести зависти от многих факторов, поэтому определить ее точно для конкретных производственных условий практически не возможно.

В этой связи для сравнения истинной способности сплавов заполнять литейную форму чаще пользуются условно-истинной жидкотекучестью. Условно-истинная жидкотекучесть определяется для сплавов данной системы при постоянном перегреве над линией ликвидуса.

2. Усадка- свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Объёмная усадка- уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме от температуры заливки до температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла при формировании отливки. Объёмную усадку определяют соотношением, %

где Vф, и Vотл - объем полости формы и отливки.

Линейная усадка- уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют по формуле:

где 1ф и 1отл – размеры полости формы и отливки.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку алюминиевых сплавов уменьшаем повышение содержания кремния. Усадку отливок уменьшает снижение температуры заливки. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механического и термического торможения.

Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9... 1,3%, для высокопрочного чугуна 1,7%, для углеродистых сталей 2...2,4%, для алюминиевых сплавов 0,9...1,5%, для медных 1,4...2,3%.

Усадку сплава определяют на специальных технологических пробах и оценивают по разности размеров (или объема) сплавов до затвердевания и после охлаждения.

Усадка в отливках проявляется в виде:

- усадочных раковин - сравнительно крупных полостей, расположенных в местах отливки, которые затвердевают последними;

- усадочной пористости - скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердели последними без доступа к ним расплавленного металла;

- трещин;

- короблений – изменение формы и размеров отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении.

3. Ликвация- это химическая неоднородность, возникающая в сплаве в процессе кристаллизации. Ликвация возникает в результате того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает ликвация. Ликвацию определяют химическим способом или спектральным анализом.

Различают дендритную и зональную ликвацию. Дендритная ликвация – это химическая неоднородность, проявляющаяся в пределах одного дендрита – кристалла древовидной (ветвистой) формы. Причиной ее является так называемая избирательная кристаллизация, вследствие которой оси дендритов, растущие первыми, содержат меньше примесей, а затвердевающая позже между осями часть расплава обога­щается этими примесями, что и приводит к неоднородно­сти химического состава в различных частях каждого дендрита.

Зональная ликвация – химическая неоднородность в отдельных объемах отливки, т. е. различие химического состава в разных ее частях, возникающая в результате как избирательной кристаллизации, так и процессов перемещения ликвирующих элементов вместе с жидкой фазой из одной части отливки в другую при ее затверде­вании. Так, более тяжелые примеси могут концентриро­ваться в нижней, а более легкие – в верхней частях отливки (ликвация по плотности), легкоплавкие компо­ненты литейных сплавов, затвердевающие в последнюю очередь (при более низких температурах), оттесняются в среднюю часть стенки отливки, что приводит к обра­зованию разновидности зональной ликвации — осевой ликвации. Эта ликвация называется также прямой, в отличие от обратной, при которой в центральной части тела отливки содержатся более тугоплавкие компоненты, а легкоплавкие при кристаллизации вытесняются на ее поверхность.

Ликвация приводит к неоднородности механических и других эксплуатационных свойств литых деталей, вы­зывает их преждевременный износ и разрушение. Дендритную ликвацию в большинстве случаев удается устранить термической обработкой отливок, при которой за счет диффузионных процессов происходит выравнива­ние химического состава в пределах каждого кристалла (дендрита). Однако устранить образовавшуюся в отливке зональную ликвацию практически невозможно, поэтому стремятся предупреждать ее образование, создавая технологичные конструкции отливок, с равномерной толщиной стенок и без массивных узлов, вводя в сплавы добавки, уменьшающие ликвацию, применяя ускоренное охлаждение отливок.

4. Склонность к поглощению газов – способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава увеличивается незначительно, при этом, возрастает при плавлении и резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки и свойств литейной формы.

5. Отбел – склонность чугуна к выделению структурно свободных карбидов сверх необходимого для образования перлитной структуры. Величина отбела зависит в основном от скорости охлаждения отливки и химического состава чугуна. Чем выше скорость охлаждения, тем больше склонность чугуна к образованию отбела. Химическими элементами, уменьшающими отбел, являются углерод, кремний, алюминий, титан и др.; увеличивающими – ванадий, марганец, молибден, хром и др. Толщина проб для определения склонности чугуна к отбелу связана с преобладающей толщиной сечения стенок отливки.

Если к литым деталям не предъявляется высоких требований в отношении механических и других свойств, то обычно такие детали изготовляются из самого дешевого литейного сплава – чугуна, обладающего относительно невысокой температурой плавления, хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Но если детали должны иметь высокие механические свойства, то их необходимо изготовлять из стали, хотя она дороже чугуна и имеет высокую температуру плавления, худшую жидкотекучесть и большую усадку.

Иногда решающее значение имеет среда, в которой должны работать детали. Например, для работы в морской воде они изготовляются из более дорогих медных сплавов (бронзы и иногда латуни), так как чугун и обычная сталь в такой среде легко разрушаются из-за недостаточной химической стойкости.

При изготовлении отливок для самолетостроения, когда решающее значение имеет масса, применяют алюминиевые или магниевые сплавы, несмотря на их высокую стоимость.

Химические составы литейных сплавов указаны в ГОСТах и технических условиях. В существующих ГОСТах регламентируется качество более 200 литейных сплавов. Отливки из 400 литейных сплавов изготовляются по техническим условиям, принятым изготовителем и потребителем. Химический состав и механические свойства стальных отливок регламентируются ГОСТ 977-88, отливок c2оиз серого чугуна – ГОСТ 1412-85, высокопрочного модифицированного чугуна – ГОСТ 7293-85, из сплавов на основе алюминия – ГОСТ 1583-93, магниевых сплавов – ГОСТ 2856-79 и т.д.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите основные литейные свойства сплавов?.

2. Перечислите виды жидкотекучести?

3. По каким технологическим пробам определяют жидкотекучесть и

усадку сплавов?

4. Какие виды усадки сплавов вы знаете?

5. В чем разница между объемной и линейной усадкой сплавов7

6. Что такое ликвация?

7. Какие виды ликвации вы знаете?

8. Какие характеристики металлов регламентируются ГОСТами и ТУ?

 

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).

Сталью называют железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2 % С. Наряду с углеродом в сталях присутствуют Mn, Si, S, Р, N, H, О и другие элементы, попавшие в нее из шихтовых материалов или введенные в процессе ее производства (Mn и Si в углеродистые стали вводят, например, для раскисления). Другие (легирующие) элементы добавляют для придания стали особых физических, физико-химических свойств или повышения ее прочности. Это чаще всего Cr, Ni, Mo, V, W, а также Mn и Si в количестве, превышающем потребности раскисления. Сталь широко применяют прежде всего для деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами, быть надежными и долговечными в эксплуатации. Многие стали хорошо свариваются, что дает возможность изготовлять сложные сварно-литые конструкции.

Классификация стальных отливок. Стальные отливки можно классифицировать: по химическому составу; структуре; назначению отливок;

способу выплавки стали.

По химическому составу стальные отливки подразделяют на 4 класса:

1) из углеродистой нелегированной стали;

2) из низколегированной стали с содержанием легирующих элементов до 2,5 %;

3) из среднелегированной стали с содержанием от 2,5 до 10 % легирующих элементов;

4) из высоколегированной стали, содержащей более 10 % легирующих элементов.

По структуре раздельно классифицируют углеродистые и легированные стали, так как сходные структурные составляющие в зависимости от растворенного в них легирующего элемента обладают различными свойствами.



©2015- 2019 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.