Технология литейного производства: Специальные виды литья
Степанов Ю.А., Баландин Г.Ф., Рыбкин В.А.
Машиностроение, 1983 г.
Отливки из чугуна
Литейные свойства. Серые чугуны обладают хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой (до 1%) усадкой, незначительным влиянием газосодержания на механические свойства, достаточно высоким сопротивлением образованию горячих трещин, малой склонностью к образованию усадочных раковин и пористости. Литейные свойства чугуна существенно зависят от его химического состава. С увеличением содержания углерода жидкотекучесть доэвтектических чугунов повышается, а заэвтектических уменьшается. При увеличении содержания кремния и фосфора повышается жидкотекучесть чугуна, а марганец и сера влияют несущественно.
Трещиноустойчивость чугунов возрастает с повышением содержания углерода и кремния; увеличение содержания серы снижает трещиноустойчивость чугунов; увеличение содержания марганца до 0,9% повышает трещиноустойчивость, а при дальнейшем увеличении его содержания вероятность появления трещин возрастает. Содержание в чугуне 0,2% фосфора резко увеличивает опасность появления трещин. Влияние химического состава на литейные свойства чугуна учитывают при выборе химического состава чугунов для литья в кокили.
Влияние кокиля на качество отливок. Заполняемость кокилей чугуном, как и другими сплавами, ниже, чем песчаных форм. Заполняемость увеличивается с повышением температуры кокиля, увеличением толщины огнеупорного покрытия, уменьшением теплопроводности его материала. Закономерности влияния этих факторов известны из общей теории формирования отливок [2].
Линейная усадка чугунов при литье в кокиль больше, чем при литье в песчаную форму. Однако по сравнению с другими сплавами усадка чугуна меньше, что позволяет изготовлять из него широкую номенклатуру отливок в кокилях.
Чугунные отливки, полученные в кокилях меньше поражены газовыми раковинами, чем отливки, полученные в песчаных формах, так как вследствие высокой скорости охлаждения металла в кокилях газы не успевают выделяться из раствора. Однако при неправильной конструкции вентиляционной и литниковой системы, нарушениях при Окраске кокилей и плавке могут образоваться газовые дефекты в отливке.
Чугун в большей степени, чем другие сплавы, способен изменять структуру в зависимости от скорости охлаждения и затвердевания отливки. Поэтому, управляя скоростями охлаждения чугуна, можно получать отливки с любой структурой. Большое влияние на структуру чугуна оказывает также его химический состав. От структуры чугуна зависят его механические свойства, износостойкость, герметичность, обрабатываемость. Повышение скорости охлаждения отливки при литье в кокиль уменьшает количество и размеры графитных включений, увеличивает количество «перлита и уменьшает его зерно, что повышает механические и другие служебные свойства отливок.
Однако высокая скорость охлаждения приводит к образованию аномальных структур, снижающих служебные свойства отливок. Вследствие высокой скорости охлаждения чугун в кокиле затвердевает с образованием отбеленного поверхностного слоя в отливке. В этом слое углерод почти полностью находится в виде цементита — химического соединения Fe3C. Такая структура обладает высокой твердостью. Отливки с отбеленной поверхностью трудно обрабатываются, но обладают высокой износостойкостью. Их применяют обычно без механической обработки или после шлифования, например, мелющие тела для дробильно-размольного оборудования, валки для прокатки металлов, помола и т. д. Чугунные отливки с отбеленным поверхностным слоем, которые необходимо обрабатывать резанием, подвергают термической обработке— графитизирующему отжигу для устранения отбела.
Отжиг отливок — нежелательная операция, требующая дополнительного оборудования, энергозатрат, удлиняющая технологический цикл. Поэтому получение отливок из чугуна с заданной структурой в кокилях является одной из важнейших проблем этого способа литья. Научные исследования и производственный опыт показывают, что основными направлениями решения этой проблемы являются: правильный выбор химического состава чугуна и способов его модифицирования; снижение скорости охлаждения чугуна путем повышения начальной температуры кокиля, нанесения на его поверхность облицовок и красок, создающих термические сопротивление переносу теплоты от отливки к кокилю.
Для предотвращения отбела повышают содержание углерода и кремния в чугуне. Однако содержание кремния должно быть не более 2,5%, так как при более высоком его содержании снижается жндкотекучесть, в структуре отливок появляются силико-карбиды. Уменьшение глубины отбела может быть достигнуто модифицированием чугуна ферросилицием, силикокальцием. Наилучшими являются комплексные модификаторы, вводимые в количестве 0,2—0,3% массы чугуна, например ФЦМ-5. Рекомендуемые составы чугунов для отливок в кокиль и режимы модифицирования приведены в табл. 2.5.