О чугуне

на главную

В технике под металлом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском», в той или иной мере присущим всем металлам, и пластичностью. По этому признаку металлы можно легко отличить от неметаллов (например, дерева, камня, стекла или фарфора). «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно». Это определение металлов, данное М. В. Ломоносовым, не потеряло своего научного значения и теперь, через 200 лет. М. В. Ломоносов отметил и вторую особенность этих тел — сходство их строения с солями, т. е. кристалличность. В XIX в. была создана научная теория строения тел, согласно которой все твердые тела делятся на две группы: кристаллические и аморфные.

1. Состав и сорт чугунов

Продуктами доменной плавки являются чугун, шлак, и колошниковый газ и колошниковая пыль.

Чугун по назначению делится на три группы: передельный, литейный и доменные ферросплавы. Из всей выплавки более 81% составляют передельные чугуны, которые переплавляются в сталь, и около 19% приходится на долю литейных чугунов и ферросплавов. Из литейного чугуна отливают фасонные детали, а ферросплавы используют в качестве добавок (раскислителей) при выплавке стали.

Чугун представляет собой сложный железоуглероди­стый сплав, в котором углерода содержится от 2 до 4,3%, кремния – 0,5-4,25%, марганца – 0,2-2%,   серы – 0,02-0,2%, фосфора – 0,1-1,2%. Влияние элементов, входящих в состав чугуна, на его свойства велико. Они определяют структуру и свойства чугуна.

Углерод—важнейшая составляющая чугуна. Углерод находится в чугуне в различных состояниях: в виде химически связанного соединения с железом Fе₃С, назы­ваемого карбидом железа (или цементитом), и в сво­бодном состоянии – в виде графита.

Если углерод находится в чугуне в виде цементита, то чугун имеет в изломе белый цвет. Цементит кристалли­зуется непосредственно из жидкого сплава. Чем быстрее идет процесс охлаждения (как при переходе чугуна из жидкого состояния в твердое, так и в твердом состоя­нии), тем больше в нем будет находиться химически связанного углерода.

Чугун, в котором углерод находится в виде цемен­тита, называется белым чугуном.

Если углерод находится в чугуне главным образом в свободном состоянии – в виде графита, то чугун имеет в изломе серый цвет и называется серым чугуном.

Марганец способствует получению белого чугуна, так как образует с углеродом карбиды Мn₃С и этим препятствует графитизации. Поэтому в белых чугунах бывает 2–2,5%, а иногда и 3,5% Мn, а в сером чугуне – не более 1,3%.

Кремний является важнейшей после углерода примесью в чугуне. Кремний увеличивает жидкотекучесть и способствует получению серого чугуна. В сером чугуне кремния содержится от 1,25 до 4,25%, а в белом – от 0,2 до 2%.

Сера – вредная примесь в чугуне. Она ухудшает механические свойства чугуна, понижая его прочность увеличивая хрупкость, и придает чугуну густо-текучесть, пузырчат ость, т. е. ухудшает его литейные свойства. Поэтому содержание серы в чугуне не должно превышать 0,08%.

Фосфор также понижает прочность и увеличивает хрупкость чугуна, но, несмотря на это, он бывает и полезной примесью, так как увеличивает жидкотекучесть серого чугуна. Это качество имеет большое значение при изготовлении художественного и тонкостенного литья. Содержание фосфора в ответственных отливках допускается до 0,1%, а в менее ответственных – до 1,2%.

В доменных печах выплавляют чугун следующих сор­тов: передельный, литейный, доменные ферросплавы и специальные чугуны.

Передельный чугун делится на 3 класса:

1) мартеновский чугун марок М-1 и М-2, содержащий 1,5–2,5% Мn, 0,3–1,5% Si 0,15–0,2 % P и 0,03-И 0,07% S.

2) бессемеровский чугун марок Б-1 и Б-2, получаемый из малофосфористых руд и содержащий 0,6–1,5% Мn, 0,9-2,0% Si до 0,07% Р и до 0,04% S.

3) томасовский чугун марки Т-1, выплавляемый из фосфористых руд и содержащий 1,6–2% Р, 0,08–1,3% Мn, 0,2–0,6% Si; и 0,08% S.

Передельный чугун идет на переделку в сталь.

Литейный чугун марок ЛК-00, ЛК-0, ЛК-1 и других получают из шихты с достаточным содержанием кремне­зема. В зависимости от марки он содержит 1,25–4,25% Si и до 1,3% Мn. Литейный чугун идет на отливку раз­личных деталей. Его классификация приведена в раз­деле «Литейное производство».

Доменные ферросплавы, т. е. сплавы железа с раз­личными элементами (марганцем, кремнием, фосфором и др.), используют в качестве раскислителей и леги­рующих добавок в сталеплавильных агрегатах и вагран­ках. В доменных печах выплавляют преимущественно следующие ферросплавы и специальные чугуны: зер­кальный чугун, ферромарганец, ферросилиций, силикошпигель, феррофосфор, ферроманганфосфор.

Специальные чугуны — хромоникелевые, ванадиевые, титанистые.

Хромоникелевые чугуны выплавляют из руд, содержа­щих хром и никель. Эти чугуны бывают литейные, содер­жащие до 2,2–3,8% хрома и около 1% никеля, и пере­дельные, содержащие до 1,75% никеля.

Ванадиевые чугуны получают при плавке в домен­ных печах титаномагнетитовых руд, в которых имеется небольшое количество пятиокиси ванадия (V₂O₅). При­меняют также чугуны для передела на сталь для вы­плавки феррованадия.

Титанистые чугуны получают при производстве в до­менных печах высокоглиноземистых шлаков, которые являются в данном случае основным продуктом плавки, а чугун с содержанием титана 0,6–0,7% – побочным продуктом.

Отгружаемые с завода чушковый чугун и ферроспла­вы маркируют несмываемой краской определенного цвета, присвоенного каждой марке чугуна и ферроспла­вов, и снабжают сертификатом. В сертификате указы­вают полный анализ каждого выпуска и подтверждают отделом технического контроля завода, что чугун или ферросплавы отвечают требованиям ГОСТа. Сертификат отправляют заказчику одновременно с отгрузкой чу­гуна.

2. Оборудование для термической обработки

Для термической обработки применяют оборудова­ние, состоящее из нагревательных печей, закалочных устройств, приборов для контроля тепловых режимов и др.

Печи для термической обработки. Термические печи бывают самых разнообразных конструкций, в зависимо­сти от способа передачи тепла от печи к нагреваемым деталям, метода загрузки печи, способов получения тепла (источника тепла), назначения печи, характера её работы и т. п.

В зависимости от способа передачи тепла нагре­ваемым деталям печи делятся на камерные, муфельные и печи-ванны.

В камерных печах нагреваемую деталь помещают в то же пространство (камеру), через кото­рое проходят горячие газы. Таким образом, в камерных печах детали нагреваются в результате непосредствен­ного соприкосновения их с пламенем и горячими га­зами.

В муфельных печах детали, помещенные в специальный ящик под колпак, не соприкасаются ни с пламенем, ни с горячими газами. Горячие газы и пламя нагревают муфель, а детали получают тепло от стенок муфеля. Муфельные печи применяют в тех случаях, когда нельзя допускать соприкосновения нагреваемых деталей с печными газами (при светлом отжиге, газовой цементации и т. д.).

Печи-ванны имеют ту особенность, что , нагреваемые детали погружаются в расплавленную соль, ^ в расплавленный свинец или в горячее масло, находящиеся в тигле. Печи-ванны применяют для быстрого на­гревания мелких деталей.

Печи загружают тремя способами: сбоку, сверху (в шахтных печах) и при помощи выдвижного пода. Нагревают печи топливом или электрическим током. Для нагрева печи топливом приходится устраивать топки или камеры сгорания, ставить форсунки или го­релки, делать в кладке печи газовые каналы и дымо­ходы для отвода горячих газов. При нагреве электриче­ским током необходимость во всех этих устройствах отпадает. Температура нагрева в электропечах достигает 1350° С; в них обеспечивается точность регулирования температуры,

По назначению различают термические печи для отжига, нормализации, закалки, отпуска, азотирования и цианирования.

По характеру работы различают печи периодического и непрерывного действия. Из печей периодического дей­ствия широкое применение (особенно в единичном и мелкосерийном производстве) получили камерные печи с неподвижным подом. Эти печи, имеющие площадь пода от 0,5 до 6 м² и производительность от 70 до 200 кг/м²/час, используют для отжига, закалки, отпуска, цементации и других ви­дов термической обработки. При отжиге и нормализации крупных деталей применяют камерные печи с выдвижным подом. Площадь пода у печей этого типа — от 3 до 20 м², а производительность — от 50 до 250 кг/м²/час.

Для безокислительного нагрева деталей применяют печи с контролируемой атмосферой, характерной осо­бенностью которых является герметичность рабочего пространства. Печи непрерывного действия характеризуются высокой степенью механизации и автоматизации.

В настоящее время в термических цехах широко ис­пользуются электрические печи с металлическими и не­металлическими (карборундовыми) нагревателями. Наи­более распространены электрические печи с металличе­скими нагревателями из сплавов, обладающих высоким электросопротивлением. Чаще всего для этой цели ис­пользуют сплавы никеля с хромом (нихромы), а также сплавы на железной основе (в виде проволоки или лен­ты), содержащие значительное количество хрома и алю­миния. Обычно металлические нагреватели располагают на боковых стенках, на поду или под сводом печи.

Если необходимо получить в печи температуру свыше 1350° С, то применяют металлические нагреватели, кото­рые представляют собой стержни, изготовляемые в ос­новном из карбида кремния. Карборундовые нагрева­тели выдерживают температуру до 1500° С.

По сравнению с пламенными в электрических печах наиболее полно используется тепло (к. п. д. пламенных термических печей 12—15%, электрических — 50 – 80%). В электрических печах сравнительно легко регулируется температура.

В последние годы все большее распространение полу­чают безмуфельные печи с радиационными трубами, в которых происходит сжигание газа. Стенки радиацион­ных труб нагреваются до высокой температуры и по­добно нагревателям в электрических печах являются источником излучения тепла. Диаметр трубы – 80 – 90 мм, толщина стенок – 4–6 мм. Трубы изготовляют из жаропрочной стали. Через конец трубы подают газ и воздух. Продукты горения отводятся в вытяжные трубы. Замена муфелей радиационными трубами позволяет сэкономить дорогостоящую жароупорную сталь.

Измерение температур. Для измерения и контроля температур до 400° С в термических печах применяют термометры, а в печах с рабочей температурой до 1250° С и выше—термоэлектрические и оптические пи­рометры.

Ртутные и спиртовые термометры применяют в термических цехах для измерения температуры зака­лочных жидкостей, низкого отпуска и старения стальных деталей при нагреве до 300—400° С, а также при обра­ботке стали холодом при температуре до минус 100—150° С.

Термоэлектрическими пирометрами пользуются для измерения температуры почти при всех видах термиче­ской обработки. Они состоят из двух частей: термопары и милливольтметра (гальванометра).

Принцип работы термопары сводится к следующему. Если взять две проволоки а и а₁ из раз­ных металлов, а один конец их А сварить (горячий спай термопары) и поместить в среду, температуру которой нужно измерить, то на свободных концах b и b₁ термопары (холодный спай) появится разность потенциалов, измеряемая в милливольтах. Эта разность будет тем больше, чем больше разность температур горячего и холодного спая термопары.

3. Термическая обработка чугуна

В машиностроении применяют отливки из серого, ковкого и высокопрочного чугунов. Эти чугуны отличаются от белого чугуна тем, что у них весь углерод или большая часть его находится в свободном состоянии в виде графита (у белого чугуна весь углерод находится в виде цементита).

Структура указанных чугунов состоит из металличе­ской основы аналогично стали (перлит и феррит) и не­металлических включений – графита.

Серый, ковкий и высокопрочный чугуны отличаются друг от друга в основном формой графитовых включений. Это и определяет различие механических свойств указанных чугунов.

У серого чугуна при рассмотрении под микроскопом графит имеет форму пластинок.

Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает сплошность металлической основы и действует как надрез или мелкая трещина. Чем крупнее и прямолинейнее формы графитовых включений, тем хуже механические свойства серого чугуна.

Основное отличие высокопрочного чугуна заключается в том, что графит в нем имеет шаровидную (округленную) форму. Такая форма графита лучше пластинчатой, так как при этом значительно меньше нарушается сплошность металлической основы.

Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы – углерод отжига.

Механические свойства рассматриваемых чугунов можно улучшить термической обработкой, при этом необходимо помнить, что в чугунах создаются значитель­ные внутренние напряжения, поэтому нагревать чугун­ные отливки при термической обработке следует медленно, чтобы избежать образования трещин.

Отливки из чугуна подвергают следующим видам термической обработки.

Низкотемпературный отжиг. Чтобы снять внутренние напряжения и стабилизировать размеры чугунных отливок из серого чугуна, применяют естественное старение или низкотемпературный отжиг.

Более старым способом является естественное старение, при котором отливка после полного охлаждения претерпевает длительное вылеживание – от 3–5 меся­цев до нескольких лет. Естественное старение приме­няют в том случае, когда нет нужного оборудования для отжига.

Этот способ в настоящее время почти не применяют, а производят главным образом низкотемпературный отжиг. Для этого отливки после полного затвердевания укладывают в холодную печь (или печь с температурой 100–200° С) и медленно (со скоростью 75–100° в час) нагревают до 500–550° С. При этой температуре их выдерживают 2–5 час. и охлаждают до 200° С со скоро­стью 30–50° в час, а затем – на воздухе.

Графитизирующий отжиг. При отливке изделий воз­можен частичный отбел серого чугуна с поверхности или даже по всему сечению. Чтобы устранить отбел и улучшить обрабатываемость чугуна, производится вы­сокотемпературный Графитизирующий отжиг с выдерж­кой при температуре 900–950° С в течение 1–4 час. и охлаждением изделий до 250–300° С вместе с печью, а затем – на воздухе. При таком отжиге в отбеленных участках цементит Fe₃С распадается на феррит и гра­фит, вследствие чего белый или половинчатый чугун переходит в серый.

Нормализация. Нормализации подвергают отливки простой формы и небольших сечений. Нормализация проводится при температуре 850–900° С с выдержкой 1–3 часа и последующим охлаждением отливок на воз­духе. При таком нагреве часть углерода (графита) рас­творяется в аустените. После охлаждения на воздухе металлическая основа получает структуру трооститовидного перлита с более высокой твердостью и лучшей сопротивляемостью износу. Для серого чугуна нормали­зацию применяют сравнительно редко, более широко применяют закалку с отпуском.

Закалка деталей из серого чугуна. Повысить проч­ностные свойства серого чугуна можно его закалкой. Она производится с нагревом до 850–900° С и охлаж­дением в воде. Закалке можно подвергать как перлит­ные, так и ферритные чугуны. Твердость чугуна после закалки достигает НВ 450–500. В структуре закален­ного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита и выделения гра­фита.

Эффективным методом повышения прочности и изно­соустойчивости серого чугуна является изотермическая закалка, которая производится аналогично закалке стали.

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом можно подвергать пламенной или высокочастотной по­верхностной закалке. Чугунные детали после такой обработки имеют высокую поверхностную твердость, вязкую сердцевину и хорошо сопротивляются ударным на­грузкам и истиранию.

Легированные серые чугуны и высокопрочные маг­ниевые чугуны иногда подвергают азотированию. По­верхностная твердость азотированных чугунных изде­лий достигает НВ 600—800; такие детали имеют высо­кую износоустойчивость. Хорошие результаты дает сульфидирование чугуна; так, например, сульфидированные поршневые кольца быстро прирабатываются, хорошо сопротивляются истиранию, и срок их службы повышается в несколько раз.

Отпуск. Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истирание, проходят низкий отпуск при температуре 200–250° С. Чугунные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску, при температуре 500–600° С. При отпуске закаленных чугунов твердость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в струк­туре закаленного чугуна имеется большое количество остаточного аустенита, а также тем, что в нем содер­жится большое количество кремния, который повышает отпускоустойчивость мартенсита.

Для отжига на ковкий чугун применяют белый чугун примерно следующего химического состава: 2,5–3,2% С, 0,6–0,9% Si, 0,3–0,4% Мn, 0,1–0,2% Р и 0,06-0,1% S.

Существует 2 способа отжига на ковкий чугун:

графитизирующий отжиг в нейтральной среде, осно­ванный на разложении цементита на феррит и углерод отжига;

обезуглероживающий отжиг в окислительной среде, основанный на выжигании углерода.

Отжиг на ковкий чугун по второму способу зани­мает 5–6 суток, поэтому в настоящее время ковкий чу­гун получают главным образом графитизацией. Отливки, очищенные от песка и литников, упаковывают в ме­таллические ящики либо укладывают на поддоне, а за­тем подвергают отжигу в методических камерных и дру­гих отжигательных печах.

Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Первая стадия заключается в равномерном нагреве отливок до температуры 950–1000° С с выдерж­кой 10–25 час.; затем температуру понижают до 750– 720° С при скорости охлаждения 70–100° в час. На второй стадии при температуре 750–720° С дается вы­держка 15–30 час., затем отливки охлаждаются вместе с печью до 500–400° С и при этой температуре извле­каются на воздух, где охлаждаются с произвольной скоростью.

При таком ступенчатом отжиге в области темпера­тур 950–1000° С идет распад (графитизация) первич­ного, т. е. эвтектического (ледебуритного) цементита, а при температуре 750—720° С распадаются вторичный и эвтектоидный (перлитный) цементиты. В результате отжига по такому режиму структура ковкого чугуна представляет собой зерна феррита с включениями гнезд углерода отжига – графита.

Перлитный ковкий чугун получается в результате неполного отжига: после первой стадии графитизации при температуре 950–1000° С чугун охлаждается вме­сте с печью; вторая стадия графитизации не проводится. Структура перлитного ковкого чугуна состоит из пер­лита и углерода отжига.

Чтобы повысить вязкость, перлитный ковкий чугун подвергают сфероидизации при температуре 700–750° С, что создает структуру зернистого перлита.

Для ускорения процесса отжига на ковкий чугун из­делия из белого чугуна подвергают закалке, затем про­водят графитизацию при температуре 1000–1100° С.

Ускорение графитизации закаленных чугунов при отжиге объясняется наличием большого количества цент­ров графитизации, образовавшихся при закалке. Это дает возможность сократить время отжига закаленных отливок до 15–7 час.

Метод предварительного нагрева и закалки отливок из белого чугуна разработан металлургами А. Д. Ассоновым и В. И. Прядиновым и широко применяется в различных отраслях промышленности.

Термическая обработка ковкого чугуна. Чтобы повысить прочность и износоустойчивость, ковкие чугуны подвергают нормализации или закалке с отпуском. Нормализация ковкого чугуна производится при 850–900°С с выдержкой при этой температуре 1–1,5 часа и охлаждением на воздухе. Если после отливки заготовки имеют повышенную твердость, то их следует подвергать высокому отпуску при температуре 650–680° С с выдержкой 1–2 часа.

Иногда ковкий чугун подвергают закалке, чтобы получить более высокую прочность и износоустойчивость за счет снижения пластичности. Температура нагрева под закалку та же, что и при нормализации; охлажде­ние производится в воде или масле, а отпуск, в зависи­мости от требуемой твердости, обычно при температуре 650–680° С.

Быстрое охлаждение может производиться непосред­ственно после первой стадии графитизации при дости­жении температуры 850–880° С с последующим высоким отпуском.

Для ковкого чугуна применяют закалку токами высокой частоты или кислородно-ацетиленовым пламенем, при этом может быть достигнута высокая твердость поверхностного слоя при достаточной пластичности основной массы. Метод такой закалки тормозных колодок из ферритного ковкого чугуна заключается в нагреве дета­лей токами высокой частоты до температуры 1000– 1100° С с выдержкой 1–2 мин. и последующим быст­рым охлаждением. Структура закаленного слоя состоит из мартенсита и углерода отжига твердостью НRС 56–60.

Ковкий чугун по сравнению со сталью более деше­вый материал; он обладает хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. По­этому детали из ковкого чугуна широко применяются в сельскохозяйственном машиностроении, автотрактор­ной промышленности, станкостроении (для изготовле­ния зубчатых колес, звеньев цепей, задних мостов, кронштейнов, тормозных колодок и пр.) и в других отраслях народного хозяйства.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, означаю­щими ковкий чугун, затем идут два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе – относительное удлинение.

ГОСТом 1215-59 установлены следующие марки ков­ких чугунов: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10. . КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2.

на главную