1. Чугунное литье

1.1. Расчет химического состава и структуры серого чугуна,

заливаемого в сырую песчано-глинистую форму

1.1.1. Общие сведения

Чугунные отливки в большинстве случаев контролируются по указанным на чертеже размерам и марке чугуна, в которой зашифрован предел прочности при растяжении (кг/мм²).

Размерное соответствие отливок обеспечивается качеством модельной оснастки и формы, а прочность сплава зависит от химического состава и процессов формирования структуры, т.е. металлической матрицы и графита.

Важнейшими химическими элементами, находящимися в чугуне в большом количестве, являются углерод и кремний. Остальные элементы также влияют на структурообразование, но при их сравнительно малых концентрациях это влияние менее значительно.

Взаимосвязь содержания углерода и кремния с пределом прочности на растяжение для стандартного образца диаметром 30 мм можно определить по уравнению [1]:

(1.1)

где _в – предел прочности при растяжении, кг/мм²;

S_Э – степень эвтектичности чугуна,

(1.2)

где С – содержание углерода в рассматриваемом чугуне, %;

Si – содержание кремния в рассматриваемом чугуне, %.

Подобное выражение применимо для определения твердости чугуна [1]:

(1.3)

где НВ – твердость чугуна по Бринелю.

Выражения (1.1) и (1.3) можно использовать для предварительной оценки механических свойств чугуна по результатам экспресс-анализа химического состава чугуна.

Для чугунных отливок с толщиной стенок больше или меньше диаметра стандартного образца ориентировочно оценивать механические свойства можно по типу структуры. Количественная характеристика типа структуры (К) рассчитывается по формуле [1]:

(1.4)

где R_пр – приведенная толщина отливки, равная отношению охлаждаемого объема к охлаждаемой поверхности, мм (при расчете R_пр для теплового узла отливки площадь сопрягаемых поверхностей с остальной частью отливки не учитывается);

К – константа, значение которой для перлитной структуры  4,5, для перлито-графитной 4,5…6,0; перлито-феррито-графитной 10…14; графито-ферритной  14.

Эта формула позволяет учитывать через Rпр влияние скорости охлаждения на формирование структуры, а следовательно, и механических свойств чугуна

1.1.2. Варианты задания 1.1

Задание. Рассчитать три из перечисленных величин: К – численную характеристику структуры, _в – предел прочности при растяжении, НВ – твердость, С – содержание углерода в чугуне, Si – содержание кремния в чугуне, соответственно вариантам табл. 1.1. По окончании расчетов сделать вывод о предполагаемой структуре, если рассчитаны _в или НВ, или о предполагаемых _в и НВ, если рассчитаны К, Si и С.

Таблица 1.1

Исходные данные для решения задач

№ варианта	Содержа-ние элемента в чугуне, %		Размеры отливки, мм						в, кг/мм3	Твердость, НВ	К	Искомые величины
			Брус			Плита
			Шири-на, а	Высо-та, в	Длина, с	Высо-та, а	Шири-на, в	Длина, с
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Пример	3,6	2,2				30	120	200				в, НВ, К
1	3,5	2,4	20	40	200							в, НВ, К
2	-	2,3	20	40	150						10	С, в, НВ
3	3,5	-	30	30	200						11	Si, в, НВ
4	-	2,2	30	35	150						10	С, в, НВ
5	3,5	-	30	40	200				15			Si, НВ, К
6	-	2,0	30	30	150				10			С, НВ, К
7	3,4	2,1	30	35	200							в, НВ, К
8	3,4	1,8	30	35	150							в, НВ, К
9	3,4	1,6				20	120	200				в, НВ, К
10	3,4	1,4				20	120	150				в, НВ, К
11	3,4	1,2				30	120	200				в, НВ, К
12	3,3	1,7				30	120	150				в, НВ, К
Окончание табл. 1.1
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
13	3,3					20	200	200			10	в, НВ, Si
14	3,3					30	150	200			10	в, НВ, Si
15	3,3					30	200	200			10	в, НВ, Si
16	3,2	1,5	35	35	150						8	в, НВ, Si
17	3,2	1,4	35	40	200						8	в, НВ, Si
18	3,2	1,2	35	40	150						8	в, НВ, Si
19	3,1					20	100	150	20			Si, НВ, К
20	3,2					20	100	100	25			Si, НВ, К
21	3,1					30	100	200	20			Si, НВ, К
22	3,0					30	100	150	25			Si, НВ, К
23		1,3	30	30	200					170		С, в, К
24		1,2	30	30	150					190		С, в, К
25		1,1	20	35	200					200		С, в, К

1.1.3. Пример выполнения задания 1.1

В песчано-глинистой форме затвердевает отливка из чугуна (СЧ15) с содержанием углерода 3,6 %, кремния – 2,2 %. Определить тип структуры, предел прочности при растяжении и твердость фрагмента отливки, представляющего собой плиту с размерами 30х120х200, если поверхность охлаждения не включает площади двух наименьших торцов (полубесконечное тело).

Решение:

Предел прочности при растяжении определяется по формуле (1.1)

где S_Э рассчитывается по формуле (1.2)

Для заданных условий

Твердость определяется по формуле (1.3)

Численная характеристика структуры рассчитывается по формуле (1.4)

Вывод: данный фрагмент отливки может иметь перлито-феррито-графитовую структуру и при почти эвтектическом составе чугуна обладает прочностью при растяжении, превосходящей соответствующую характеристику чугуна марки СЧ15.