КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ

Серый чугун (СЧ).Состав: 2,8 … 3,5% С; 1,8 … 2,5% Si; 0,5 … 0,8% Mn; до 0,06% Р и до 0,12% S.

Он имеет высокое временное сопротивление (прочность), высокую циклическую вязкость, легко обрабатываем и дëшев. Недостатки: низкая ударная вязкость (£0,1 МДж/м²) и хрупкость, характеризуемая малым относительным удлинением(d=0,2 … 0,8%).

Прочность СЧ обусловлена пластинчатой формой графитовых включений и прочностью металлической основы, которая может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной. Наименьшую прочность имеет ферритная структура, а наибольшую – перлитная. Перлит - это механическая смесь феррита и цементита (рис. 2.57, а).

ГОСТ 1412-85 предусматривает следуюцие марки чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45, где числа обозначают минимальное допустимое значение предела прочности при растяжении s_в, например 10 кг/мм² =100 МПа. Эти чугуны обладают хорошими литейными свойствами. Из них изготовляют станины станков и корпусные детали, плиты, шкивы и многое другое.

Ковкий чугун (КЧ).Состав: 2,4 … 2,8% С; 0,8 … 1,4% Si; до 1,0% Mn; 0,2% Р; до 0,1% S.

Он по прочности превосходит СЧ и имеет повышенную пластичность, но не поддаётся ковке. КЧ получают из белого чугуна, в котором углерод находится в виде цементита Fe₃C. Его отжигают в течение 30 … 60 часов при температуре 900 … 1050ºС для образования графита в виде хлопьев (рис. 2.57,в). Такая форма графита способствует увеличению его прочности s_В и относительному удлинению d по сравнению с СЧ. В зависимости от условий отжига КЧ может быть ферритным, феррито-перлитным или перлитным (рис. 2.57, в). Обозначают по ГОСТ 1215-79: например КЧ30-6, где 30 - предел прочности при растяжении (30 кг/мм² =300МПа), 6 - относительное удлинение, %. Их прочность находится в пределах от 300 до 800 МПа, а удлинение - от 1,5% до 6%. Из КЧ изготовляют тонкостенные мелкие и средние отливки массового производства.

Высокопрочный чугун (ВЧ).Состав: 3,2 … 3,6% С; 1,6 … 2,9% Si; 0,4 … 0,9% Mn; до 0,15% Р и 0,02% S, более 0,04% Mg.

ВЧ получают при модифицировании расплава магнием или церием. При этом образуется графит шаровидной формы, исключающий острые надрезы в металлической основе, поэтому механические свойства ВЧ значительно повышаются (рис. 2.57, б). Предел прочности при растяжении достигает 1200 МПа, относительное удлинение – 2 … 22 %, ударная вязкость - 0,2 … 1,5МДж/м². Такой чугун в ряде случаев является полноценным заменителем стали. По ГОСТ 7293-85 эти чугуны различаются металлической основой на ферритные (ВЧ35 и ВЧ40), феррито-перлитные (ВЧ45 и ВЧ50) и перлитные (ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100). Число в маркировке обозначает предел прочности при растяжении. Эти чугуны обладают высокими прочностью, пластичностью, литейными свойствами и хорошей обрабатываемостью. Их применяют для высоконагруженных деталей ответственного назначения (коленчатых валов, шатунов, прокатных валков и т.п.)

Углеродистые стали.Состав: 0,12 … 0,6% С; 0,2 … 0,5% Si; 0,5 … 0,8% Mn; до 0,05% Р и 0,05% S. Они имеют более высокие механические свойства, чем СЧ и КЧ. Микроструктура литой стали состоит из перлита и феррита. Чем больше в ней перлита, тем выше прочность и ниже вязкость. Большую часть стальных фасонных отливок (~ 65%) изготовляют из углеродистых сталей.

ГОСТ Р52179-03 предусматривает следующие марки: 15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л, 55Л. Здесь число, например 15, обозначает содержание углерода в сотых долях %, а буква Л - литейная или литая сталь. Литейные свойства этих сталей удовлетворительные.

Легированные стали. В отличие от углеродистых содержат дополнительно (свыше 1%) легирующие элементы, изменяющие их свойства: Х (хром), Н (никель), Г (марганец), М (молибден), В (вольфрам), Ф (ванадий), Ю (алюминий), А (азот), Т (титан), К (кобальт), С (кремний). Например: марка 18Х2Н4В обозначает сталь со средним содержанием 0,18% углерода, 2% хрома, 4% никеля и 1% вольфрама.

Легированием можно добиться, например, высокой коррозионно- и жаростойкости, жаропрочности, твердости, износостойкости и т.п.

Медные сплавы: латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди с цинком, в которые могут быть добавлены и другие элементы: свинец, марганец, кремний, алюминий и другие для повышения прочности, коррозионной стойкости, улучшения технологических свойств. В этом случае их называют сложными. Обозначают по ГОСТ 17711-80: ЛЦ40, где Л - латунь, Ц - цинковая, 40 - содержание цинка в %. Легирующие элементы обозначают буквами: А - алюминий, Ж - железо, Мц - марганец, К - кремний, С - свинец.

Бронзами называют сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием и некоторыми другими элементами. Они, как и латуни, бывают простыми (БрА5) и сложными, в которые добавлены легирующие элементы: никель, железо, марганец и другие. Например, бронза марки БрО3Ц12С5 содержит, соответственно, 3% олова, 12% цинка и 5% свинца, остальное медь.

Медные сплавы имеют достаточно высокие механические и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость, хорошую обрабатываемость, удовлетворительные литейные свойства.

Алюминиевые сплавыделятся на деформируемые и литейные. Литейные сплавы обладают малой плотностью от 2,5 до 2,94 г/см³, сравнительно невысокой температурой плавления 450 … 580ºС, высокими коррозионной стойкостью, механическими и литейными свойствами, хорошей свариваемостью и обрабатываемостью резанием. Основными легирующими элементами являются кремний, магний, медь, которые способствуют резкому изменению природы сплава. Вспомогательные элементы - марганец, хром, ванадий, циркон, молибден, никель и другие вводятся в сплав в меньшем количестве и улучшают некоторые свойства двойных сплавов. Получают все большее распространение из-за своих высоких эксплуатационных свойств. Маркируют новой маркировкой по ГОСТ 1583-93, например АК5М2, где А - алюминий, К - кремний, М - медь, а числа означают среднее содержание элемента в %. Еще достаточно распространена устаревшая маркировка, например АЛ2, где буквы означают алюминий, а число - порядковый номер сплава. Соответствие новой и старой маркировки имеется в ГОСТ 1583-93.

Магниевые сплавы обладают малой плотностью 1,76 … 1,83 г/см³, невысокой температурой плавления 600 … 650 °С, достаточно высокой прочностью 117 … 275 МПа, поглощают механические вибрации, хорошо обрабатываются резанием.

Недостатки: низкая коррозионная стойкость, очень высокая окисляемость в жидком состоянии, низкие литейные свойства, особенно газопоглощение. Магниевые литейные сплавы маркируются по ГОСТ 2856-93 как МЛ3, МЛ4,... МЛ19, где число обозначает порядковый номер. Магний сплавляется с алюминием, марганцем, цинком, цирконием и редкоземельными элементами. Применяют для деталей, требующих высокой прочности при малой массе.

Титановые сплавы(литейные) обладают малой плотностью 4,43 … 4,6 г/см³, высокой прочностью 340 … 980 МПа, в том числе при высокой температуре, стойкостью против химического взаимодействия с влагой, морской водой, органическими и минеральными кислотами.

Недостатки: трудная обрабатываемость резанием, низкие антифрикционные свойства, высокая температура плавления 1620 … 1670ºС и реакционная способность в расплавленном состоянии. Основные легирующие элементы: алюминий, молибден, ванадий. Маркируют ВТ1Л, ВТ5Л,..., ВТ21Л, где В - высокопрочный, Т - титан, Л - литейный, число - порядковый номер. Применяется для изготовления деталей реактивных двигателей, в химическом машиностроении, в судостроении и медицинской промышленности.

Помимо перечисленных основных сплавов существует и много других на основе вольфрама, молибдена, хрома, никеля, олова, свинца, сурьмы, кадмия, висмута, которые применяются в существенно меньших количествах.

ПЛАВКА ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ

Плавкой называется комплекс физико-химических процессов, протекающих в плавильных печах при переработке заранее подготовленных (шихтовых) материалов. Целью плавки является получение при определенной температуре сплава в жидком состоянии заданного химического состава, обладающего необходимыми литейными свойствами. Технология плавки содержит различные операции, проводимые в течение времени, регламентируемого типом плавильной печи, еë вместимостью и составом сплава. Плавку ведут в одной печи (монопроцесс), двух (дуплекс-процесс) или в трёх печах (триплекс-процесс). Полипроцессы применяют при высоких требованиях к сплаву по наличию в нем вредных примесей.

Параметрами процесса плавки являются температура и давление, которые зависят от типа плавильного агрегата и назначения (химического состава) сплава. Следует запомнить, что температура плавки, при которой проводят необходимые металлургические процессы, как правило, выше температуры плавления сплава. Расплав перегревают выше температуры плавления из необходимости учета его охлаждения во время перелива из печи в ковш, его транспортировки к форме и для обеспечения необходимой жидкотекучести. Т.е. выполняют старое правило литейщиков: «Плавь горячо – лей холодно». Температурные интервалы плавки некоторых сплавов: на основе цинка 420 … 480 ºС, магния 650 … 720 ºС, алюминия 720 … 780 ºС, меди 1000 … 1250 ºС, чугуна 1160 … 1450 ºС, никеля 1400 … 1650 ^оС, стали 1400 … 1700 ^оС, титана 1650 … 1800 ºС. Для создания необходимой температуры применяют плавильные печи различной конструкции, использующие разные виды источников тепловой энергии:

1. Топливные - работающие на топливе: твердом (кокс), жидком (мазут, дизельное топливо) или газообразном (природный или искусственный газ).

2. Электрические, в которых электроэнергия преобразуется в тепловую (печи сопротивления, индукционные, электродуговые, плазменные, электрошлаковые, электроннолучевые).

Наиболее распространенной топливной печью является вагранка, в которой выплавляют чугун из шихты, используя в качестве топлива кокс и (или) газ, для сгорания которого через специальные отверстия (фурмы) подают воздух (дутье). Вагранка является печью шахтного типа, в которой шихта, флюс, кокс, расположенные слоями по высоте вагранки, движутся сверху вниз навстречу поднимающимся горячим газам. Это обеспечивает высокий (до 45%) тепловой к.п.д. при нагреве и расплавлении чугуна (рис. 2.58).

Вновь построенная или отремонтированная коксовая вагранка должна быть хорошо просушена. После просушки в нее загружают слой кокса высотой 500 … 1500 мм, который называется холостой колошей. Этот кокс служит для разогрева вагранки и поддерживает расплавляемые шихтовые материалы в зоне наиболее высоких температур, что способствует ускорению процесса плавки. После разогрева кокса холостой колоши на него загружают рабочую коксовую колошу, флюс и первую порцию металлической шихты. Таким образом, загрузка происходит слоями: кокс – флюс – металл и далее в той же последовательности. Загрузку шихты обычно осуществляют с помощью бадьи, вводимой в вагранку наклонным (скиповым) подъемником.

После загрузки материалов открывают фурмы и дают дутье – воздух, необходимый для горения топлива, а летку оставляют открытой до тех пор, пока не появятся капли расплавленного чугуна. В плавильном поясе чугун и шлаки расплавляются и стекают в горн вагранки. Образующиеся при этом газы поднимаются вверх и по пути своим теплом нагревают металлическую шихту и топливо, а затем уходят в систему подогрева дутья. По мере сгорания кокса и плавления чугуна загружаемая в вагранку шихта опускается, а на ее место загружают новые порции шихтовых материалов. В процессе плавки жидкий чугун скапливается в горне вагранки. Шлак же, имеющий более низкую плотность, располагается на поверхности чугуна. По мере скопления шлак выпускают через верхнюю – шлаковую летку. Накопившийся чугун выпускается из вагранки через нижнюю летку, а затем по желобу направляется в разливочный ковш. При выпуске чугуна отверстие летки пробивают железным ломиком, а после выпуска чугуна его заделывают пробкой из огнеупорной глины. После окончания плавки остатки шлака и металла удаляют из вагранки через крышку в днище.

Во время плавки чугуна в вагранке происходит изменение химического состава сплава. При этом кремний и марганец выгорают (кремний на 15%, а марганец на 20%), содержание фосфора остается без изменения, а количество серы и углерода увеличивается за счет выделений из кокса. Чугун выпускается из вагранки притемпературе 1400 … 1420 °С. Для повышения производительности вагранок в них вводят подогретое дутье или дутье, обогащенное кислородом.

В последние годы освоены более экономичные, чем коксовые, коксо-газовые и газовые вагранки, созданы вагранки закрытого типа с дожиганием и очисткой отработанных газов, внедрена система централизованного автоматизированного управления и регулирования работы вагранок.

Печи жидко- и газотопливные других конструкций применяют для выплавки цветных сплавов. Однако они вытесняются электрическими печами, из которых большее распространение получили печи сопротивления, индукционные и дуговые. Печи сопротивления применяют преимущественно для плавки легкоплавких сплавов с температурой плавления до 800 ºС - свинцовых, оловянных, цинковых, магниевых и алюминиевых. Они бывают тигельные и камерные (отражательные) (рис. 2.59, а, б). У тигельных нагревательные элементы окружают тигель сбоку, а у камерных они расположены на потолке камеры, от которого тепловое излучение как бы отражается и направляется на расплавление.

В индукционных печах нагревают переменным электромагнитным полем только электропроводящие материалы, в которых оно наводит индукционные вихревые токи, являющиеся источником тепла. Чем выше частота изменения поля, тем выше температура и скорость нагрева. По конструктивному исполнению печи подразделяются на тигельные и канальные (рис. 2.59, в, г). В тигельных печах поле создаётся с помощью индуктора из медных водоохлаждаемых трубок, на который подается переменный ток частотой 50 Гц и более. В канальных печах поле создается с помощью трансформаторного магнитопровода, на котором расположена первичная обмотка, вторичным короткозамкнутым витком является расплав, в котором и наводятся вихревые токи.

Электродуговые печи по принципу передачи тепла подразделяются на печи прямого (непосредственного) и косвенного нагрева. В печах косвенного нагрева теплота передается излучением непосредственно от дуги и футеровки, а в печах прямого нагрева только от дуги (рис. 2.59, д, е). Первые печи применяют для плавки медных сплавов, а вторые - для плавки сталей и чугунов.

Для выплавления чугуна и стали в качестве шихтовых материалов применяют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства (бракованные отливки, литники, прибыли и т.д.) и ферросплавы, а также флюсы (известняк, доломит), служащие для понижения температуры плавления образующихся шлаков. Для выплавления цветных сплавов в качестве шихтовых материалов используют как первичные (полученные из руды на металлургических заводах), так и вторичные (после переплавки цветного лома) металлы и сплавы. Кроме того, применяют лигатуры, т.е. специально приготовленные сплавы из двух или нескольких металлов, и флюсы, обычно хлористые и фтористые соли щелочных и щелочноземельных металлов.

Ферросплавы и лигатуры необходимы для получения заданного химического состава и определенных свойств сплава. Их вводят в шихту и в расплав. Помимо основного элемента (например, железа в ферросплавах) они содержат специальные легирующие элементы (например, никель, титан, молибден, вольфрам и т.д.). Эти элементы можно вводить и в чистом виде, однако при этом, как правило, увеличивается их угар. Для размельчения структурных составляющих и равномерного их распределения по всему объему литого металла в расплав вводят малые добавки различных элементов - модификаторов (натрий, цинк, магний, кальций). Для уменьшения газонасыщенности некоторых сплавов их плавку ведут в вакууме в специальных печах.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ОТЛИВКИ