§ 22. Изготовление отливок из чугуна

1. Изготовление отливок из серого обыкновенного чугуна. Из

всех литейных сплавов наилучшими литейными свойствами обла­дает серый обыкновенный чугун, содержащий 2,7...3,5 % С; 0,5... 4,0 % Si; 0,3... 1,5 % Мп; до 0,2 % Р и менее 0,15 % S. Хорошая жидкотекучесть, минимальная линейная усадка, сравнительно невысокая температура плавления, незначительное газовыделение, небольшая склонность к ликвации и невысокая стоимость обеспе­чили серому чугуну широкое применение в литейном производстве.

Основным фактором, влияющим на структуру чугуна, является химический состав. Углерод обеспечивает хорошую его жидкоте- кучесть. Кристаллизация серого чугуна в форме сопровождается выделением графита (чем больше углерода в чугуне и чем медленнее он охлаждается, тем большее количество выделяется). Выделение графита сопровождается увеличением объема отливки, что способ­ствует заполнению формы и уменьшению усадки. Нижний предел содержания углерода (2,7 %) принимают для толстостенных отли­вок, а верхний (3,5%) — для тонкостенных. Кремний повышает жидкотекучесть, способствует процессу графитизации, уменьшая тем самым усадку чугуна и, следовательно, является одним из глав­ных элементов в чугуне, улучшающих его литейные свойства. Мар­ганец отбеливает чугун, увеличивает усадку, не оказывая влияния на жидкотекучесть. Однако марганец нейтрализует вредное вли­яние серы и несколько повышает механические свойства отливок. Фосфор при содержании более 0,3...0,4 % образует фосфидную лег­коплавкую эвтектику, повышающую жидкотекучесть чугуна, пре­красно заполняющего тончайшие извилины формы. Поэтому в чугу- нах для художественного литья содержание фосфора доводят до

1. .1,5 %. Ввиду хрупкости и твердости фосфидной эвтектики со­держание фосфора в отливках, подвергаемых ударным нагрузкам, допускается не более 0,2...0,3 %. Сера сильно ухудшает литейные свойства чугуна, понижая жидкотекучесть, увеличивая усадку, способствуя образованию газовых раковин и трещин в отливках. Допустимое содержание серы в чугуне не более 0,10...0,12 %. Чтобы нейтрализовать вредное влияние серы, в чугуне должно быть а 5...7 раз большее количество марганца. .

При изготовлении литейных форм для отливок из серого чугуна особое внимание нужно уделить литниковой системе. Жидкий ме­талл подводят к тонкому сечению отливки для его прогрева и одно­временного затвердевания с более массивными частями. Для полу­чения сложных крупных отливок металл подводят несколькими питателями для равномерного заполнения всей полости. Прибыли устанавливают только в массивных крупных отливках из серого чугуна.

2. Изготовление отливок из ковкого чугуна требует применения исходного чугуна такого химического состава: 2,5...3,2 % С; 0,9... 1,2 % Si; 0,3...0,7 % Мп; до 0,2 % Р и до 0,12 % S. Такой чугун обеспечит получение отливок со структурой белого чугуна, под­вергаемых длительному отжигу, при котором твердый труднообра­батываемый белый чугун превращается в достаточно прочный, легко обрабатываемый резанием ковкий чугун. По механическим свой­ствам он занимает среднее положение между серым обыкновенным чугуном и углеродистой сталью. Существуют два вида ковкого ^гуна: ферритный (черносердечный) и перлитный (белосердечный).

РР^итный ковкий -чугун получают отжигом белого чугуна в ней­тральной среде, и он имеет черный бархатистый излом. Отливки из ферритного ковкого чугуна применяют в автомобиле- и тракторо­строении для деталей, подвергающихся динамическим нагрузкам. Перлитный ковкий чугун получают отжигом белого чугуна в окис­лительной среде, и он отличается серебристым изломом. Отливки из перлитного ковкого чугуна, обладающие хорошими антифрик­ционными свойствами, используют для замены дорогостоящих сплавов цветных металлов.

Белый чугун по сравнению с серым имеет плохую жидкотеку­честь, в 1,5 раза большую усадку и повышенную склонность к обра­зованию горячих и холодных трещин. Но так как он является ис­ходным материалом для получения отливок из ковкого чугуна, то для повышения его жидкотекучести необходимо перед заливкой формы перегреть металл до 1400... 1450 °С. В свою очередь перегрев чугуна требует применения формовочных и стержневых смесей с по­вышенной огнеупорностью. Значительная объемная усадка белого чугуна (5 %) вынуждает устанавливать прибыли или холодильники возле местных утолщений отливки, а увеличенная линейная усад­ка — применять податливые смеси. Во избежание образования усадочных раковин при получении отливок из белого чугуна металл подводят к массивному ее сечению.

3. Изготовление отливок из высокопрочного чугуна. Технология изготовления отливок из стали и ковкого чугуна более сложна и ме­нее экономична, чем получение отливок из серого чугуна. Однако механические свойства серого чугуна не всегда удовлетворяют тре­бованиям быстро развивающегося машиностроения.

Если в перегретый до 1500°С жидкий серый чугун перед за­ливкой в литейную форму добавить менее 1 % (по массе расплава) смеси магния с ферросилицием или церий, то после кристаллиза­ции получается структура высокопрочного чугуна с включениями графита шаровидцой формы. Предел прочности на разрыв высоко­прочного чугуна близок к пределу прочности углеродистой стали и значительно превышает предел прочности серого и ковкого чугу- нов. Пластичность его в 5...15 раз выше пластичности серого чугуна и равна пластичности ковкого, а ударная вязкость выше ударной вязкости серого и ковкого чугунов. Высокопрочным чугуном во многих случаях заменяют углеродистую сталь, ковкий чугун и цвет­ные сплавы. Отливки из высокопрочного чугуна на 25...30 % дешев­ле стальных и в 3...4 раза дешевле отливок из цветных сплавов. Даже такие ответственные детали, как коленчатые валы, в дизеле-, авто- и тракторостроении изготавливают литьем из высокопрочного чугуна. Технология изготовления форм для отливок из высоко­прочного чугуна ничем не отличается от технологии формовки для получения отливок из серого чугуна.

4. Плавка чугуна в цехах чугунного литья осуществляется в та­ких плавильных агрегатах, как вагранки, мартеновские печи, конвертеры и электрические печи. В качестве исходных материалов для плавки чугун'а используют: 30...40 % доменного литейного чугуна; 60...40 % возврата собственного производства (литниковые

системы, прибыли, брак литья) и чугунного лома; 0...20 % сталь­ного лома и 0...10 % ферросплавов. Флюсами служат известняк, доломит и основной мартеновский шлак. Флюсы переводят в шлак не только золу топлива, но и формовочную смесь, пригоревшую к возврату.

Вагранка (рис. II 1.29) является самым распространенным пла­вильным агрегатом для плавки чугуна в литейных цехах. Это объ­ясняется простотой конструкции и обслуживания, а также небольшим расходом топлива, в качестве которого используют кокс и природ­ный газ. Стальной кожух вагранки 6 внутри футерован шамотным кирпичом 7. Вагранка опирается на опорную плиту 2, закреп­ленную на четырех колоннах 1. Через окно 3, которое при работе вагранки замуровывают, под вагранки набивают стержневой смесью.

Рис. III.30. Плавильные агрегаты для плавки черных и цветных сплавов

Вверху вагранка заканчивается трубой 10 и размещенным над ней искрогасителем 11. Загружают шихту через окно 9, на уровне ко­торога укладывают чугунные плиты 8. Жидкий чугун и шлак через отверстие 12 стекают в копильник 13. Отсюда по мере необ­ходимости чугун выпускают через чугунную летку 15, а шлак — через шлаковую летку 14. Воздух для горения топлива подают в вагранку из кольцевого воздухопровода 5 через фурмы 4.

Перед очередной плавкой чугуна вагранку очищают, ремонти­руют огнеупорную кладку и набивают под. На под загружают дрова и засыпают слой холостой колоши кокса высотой выше фурм на 700...800 мм. На холостую колошу кокса загружают металли­ческую часть шихты, затем рабочую колошу кокса и, наконец, слой флюса. Послойно (в указанной последовательности) вагранку загружают до уровня завалочного окна. По ходу плавки шихтовые материалы постепенно опускаются, а через завалочное окно ваг­ранку непрерывно догружают. Расплавление чугуна начинается сразу над холостой колошей кокса. Жидкий чугун на пути в ко­пильник, встречая раскаленный кокс, насыщается углеродом и се­рой. Уменьшить содержание углерода в жидком чугуне можно увеличением количества стального лома в шихте, а уменьшить

содержание серы — применением более основных шлаков.Чтобы компенсировать потерю марганца' и кремния, частично выгора-' ющих при плавке, вводят в шихту зеркальный чугун и ферроси­лиций. Для художественного и тонкостенного неответственного литья содержание фосфора в чугуне можно повысить присадкой феррофосфора непосредственно в разливочный ковш. Для интенси­фикации плавки вдуваемый в вагранку воздух подогревают и обо­гащают кислородом. Это дает возможность повысить производи­тельность вагранки, температуру жидкого чугуна и уменьшить расход кокса на 25...30 %.

При производстве отливок из ковкого. чугуна плавку бело­го чугуна осуществляют дуплеск-процессом: сначала металл рас­плавляют в вагранке, но так как в ней очень трудно получить чугун с содержанием углерода менее 3 %, то жидкий чугун пере­ливают в дуговую электропечь, где нагревают до более высоких температур и доводят до необходимого химического состава.

На ряде предприятий с целью повышения качества металла плавку чугуна осуществляют в электрических индукционных печах промышленной низкой частоты (рис. II 1.30,а). При работе этой печи к катушке первичной обмотки с сердечником 2 подводят ток промышленной частоты (50 Гц). В вертикальный канал 3 заливают жидкий металл, выполняющий роль вторичного витка, в котором индуцируется ток большой силы. Металл витка разогревается и передает тепло твердой шихте, загруженной в шахту 1.