/
Автор: Гиршович Н.Г.
Теги: металлургия металлы металловедение чугун литье металлы и сплавы
Год: 1949
Текст
Н. Г. ГИРШОВИЧ
ЧУГУННОЕ ЛИТЬЕ
Допущено
Министерством высшего образования СССР,
в качестве учебного пособия
для металлургических специальностей
высших учебных заведении
lOCy/lAi’CTni-llll'irC
1; [<1 11 :.XIГ1 Н: <ч<: IF. 11 -|
Iff।i:r.WHiF ii(> ч|-:Ilг<'И r; iгл-:п«/П
н и не Р ч ,) Москва
АННОТАЦИЯ
В книге содержится описание современ-
ного состояния технологии чугунного
литья. Рассматриваются вопросы структу-
рообразования. свойств и плавки чугуна.
Освещаются вопросы получения высоко-
качествеш|Ь1Х чугунных отливок с учетом
достижении передовой теории и практики
металлургии и металловедения.
Книга предназначается в качестве
учебного пособия для политехнических и
металлургических путюв.
ОГЛАВЛЕНИЕ
акр.
Предисловие ....................................................... *’
Введение............................................................ ®
Отдел первый
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
Глава 1. Теоретические основы кристаллизации чугуна................ Н
1. Основные параметры кристаллизации и их влияние на струк-
туру чугуна.................................................. '6
2. Кристаллизация основной металлической массы чугуна • 30
3. Кристаллизация графита (графитизация) - ................ 41
4. Процессы графитизации и структурообразования при отжиге
белого чугуна ................................................. ®
5. Процессы графитизации it структурообразования в сером
чугу tie...................................................... 65
0. Оценка формы и количества графита п чугуне............... 71)
Глава II, Влияние х 11 м 11 ч ес ко го состава и других факторен на кри-
сталл паиЦик> и структуру чугуна................................... 74
1, Влияние химического состава............................... 74
2. Влияние скорости охлаждения ........................ 164
3. Влияние жидкого состояния............................... 119
4. Влияние термической обработки ........................... 132
Отдел второй
Свойства чугуна
Глава Ш. Литейные свойства чугуна - -............................ 133
1. Жидкотекучесть..........'............................... 138
2. Усадка ................................................. 149
3. Образование усадочных раковин .......................... 161
4. Образование напряжений, искривлении и трещин........... 174
5. Образование газовых и неметаллических включений....... 196
6. Ликвация ...............'............................... 211
Глава IV. Механические свойства чугуна ....................................... 215
I. Характерные особенности механических евойстз чугуна.............. 217
2. Влияние основных структурных соетав.чикншгх......................... 22-1
б. Сое:иошеннч хц’.-ы.гу (н’Н<ии-.ымц механическими стюнстиамн 2-'й>
4- Влияние химичссюч<, ciirriaa ................................... ?.11)
•)- Нл ИЯ tilFC Л,IIJI Kt li’l) СОСТОЯНИИ............................. 2<И
Ь- Влияние термич1.-ск(>|'г оПрпботкп ................................ 272
> Влияние CKOJll H'Tll [>х.;.| Ж.-1гИ|| И, тел Iio-Jr-Tll It формы И ДРУГИХ
фактором, ......................................................... 231
a. MiixaiHf-feejiue гвойстна чугуна при п<; ff f-и fi ci г i г t=t х и понижен-
ных температурах ................................................. 281.
4
Оглавление
Глава V. Физические, химические технологические. свойства
чугуна -........................................................
t. Обрабатываемость ............................
2. Сопротивление износу ................................
3. Сопротивление коррозии
-I Жаростойкость и сопротивление росту....................
5. Удельный вес и герметичность .......................
G. Тепловые и улектрнчсскпе свинства..........
7. Магнитные свойства •
Отдел третий
297
297
3i>2
314
321
331
334
314
Отливки из чугуна
Глава VI. Принципы получения высококачественных н -здоровых,
чугунных отливок................................................... 351
1. Общая характеристика чугунных отливок н выбор состава
металла ....................................................
2. Методы получения высококачественною чугуна для отливок 364
3. Методы питания и подвода металла нра изготовлении
чугунных отливок ............................................ 388
Глава Vlf. Отливки из серого и белого чугунов ..................... 405
I. Отливки из простого чугуна.............................. 405
2. Отливки из легированного чугуна........................... 431
Глава VIII. Отливки из отбеленного чутущ, .................. .... 463
I. Общие основы получерен отбеленного чугун;, .... -Iti.'i
2. Прокатные пилки.......................................... '1<2
3. Вагонные ко.чеса ......................................... 486
['лани IX Отливки из ионною чугун,ч ............................... 490
I. Телрстическпе псионы нолучеиии ковкого чугун.i........... 492
2. Состав и свойства разных видов ковкого чугуна ........... 595
3. Особенности производства ковкого чугуна 5|5
Отдел четверть, й
Плавка чугуна
Глаза X, Теоретические основы процессов плавки и лерегрева
чугуна.......................................................... 527
I. Плавильные печи н процесс плавки чугуна......................... 527
2. Процессы горения и соответствующие им зоны в плавиль-
ных печах........................................................... 532
3. Перегрев чугуна ................................................ 545
Глава XI. Изменение состава чугуна при плнзке............................ 558
1. Теоретические основы угара э.щ.ментщ, щщ пдтнкс чугун.',
в вагранке........................................................ 553
2. Измсннмц,!’ содержания углерода при планке чугуна
в Щгр-щре..............................................' . . .
.!. I l:iMCiiei,[ie ('елерженич серы при h.i,i (Hie чу гущ, и вагранке ! ii ii I
4. Общсери панне ж i щ к । >r< i чугуна сиедиа.,, iaii,i м,, солям и ц.г,,;
।ел -о, ми .......................................................... I
,1. И:Jмеfвчf11С седерFiiFiиии других -щам 14[То;.: при нлаике HVFyii.'i
в Щграике.......................................................... 53)
I,. Изменение состава чугуна при плавке в других печах 584
J
Оглавление О
Г j, а в а ХП. Сырму м; стер! f f ,i. примеряемте при плавке, а ших-
товка чугуна . . . ............................................................. 592
I. №< ।i,_ri.'iii,ii.v(iaii [Iifix।:i................................... 592
2. Ttiii uiH'.>....................................................... 604
3. Ф.1 lOCM и Of m-y[IO|H'l ................................... - - • . tn .J
4. llIiriTiJiiaa aytyiia - .................. .................. (,13
Жл а в а Х1Ч. ri/iaiii.'ijajMi' n<”iFj л режим плавки к них - ....... 629
J. Конструкции r><5f 1 <iii[>ix pa ['ранок .............................. f>2')
2. Конструкции енециа.пьшчх витринок ............................... 612
3. Растет вагранок...................................................... 558
4. Ре»:: и и и контрол в и папки и вагранке .............................. 66?
5. Прочие печи и режим плавки в них - ............ 685
ЛИТЕРАТУРА ....................................................................... 697
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс «Чугунное литье» составляет часть дисциплины «Ли-
тейное производство». Задача курса заключается в освещении
вопросов, связанных со свойствами и условиями получения ка-
чественных чугунных отливок. В соответствии с программой
курс делится на четыре отдела; 1) кристаллизация и структу-
рообразование в чугуне, 2) свойства чугуна, 3) отливки из чу-
гуна, 4) плавка чугуна.
Курс построен на современных достижениях наших пере-
довых заводов, научно-исследовательских институтов и веду-
щих кафедр советских втузов. Его научной основой являются
общие положения физической химии, металлургии и металло-
ведения. Излагаемые в курсе вопросы базируются на этих
дисциплинах, а также на предшествующих разделах общей
дисциплины «Литейное производство» — «Теоретические осно-
вы лития металлов» и «Изготовление моделей и форм».
В связи с этим в курсе «Чугунное литье» не повторяются уже
известные положения, рассматриваемые в общих курсах, они
используются только для научного обоснования явлений из
области чугунного литья.
Так же как и в первом издании настоящего курса, автор не
рассматривает серый и ковкий чугуны, как два различных ли-
тейных материала, а исходит из убеждения, что ковкий чугун
является только особым видом высококачественного серого
чугуна. Это полностью подтвердилось в последнее время от-
крытиями в области получения чугуна с глобулярным графитом.
В книге не противопоставляются также способы получения
отливок в песочные и металлические формы, поскольку влия-
ние материала формы сказывается, главным образом, вслед-
ствие изменения скорости охлаждения. Поэтому кокильное
литье рассматривается как один из способов получения высо-
кокачественных отливок.
При анализе механизма явлений и их оценке автор стре-
мился в максимальной степени использовать кинетику процес-
сов, как единственно правильный диалектический метод. С той
же целью явления рассматриваются все время во взаимной свя-
зи: свойства отливок, как результат воздействия металла и формы;
влияние каждого элемента в связи с наличием других элемен-
тов и факторов. Это несколько усложняет изучение явлений,
Предисловие
7
но необходимо с точки зрения учета реальных условий произ-
водства. Ц
В книге даются принципиальные методы расчета процессор,
хотя в некоторых случаях из-за отсутствия достаточных данных
расчеты являются только приближенными. Производство этих
расчетов служит предметом специальных упражнений.
Учитывая, что специализированные курсы используются не
только студентами, но и научными работниками и инженерами-
производственниками, автор детализировал ряд вопросов. Со-
ответствующие материалы, не обязательные для студентов, вы-
делены в книге мелким шрифтом.
При составлении книги автор широко использовал имею-
щуюся в настоящее время богатую техническую литературу.
Литература эта столь обширна, что а'втор не счел возможным
привести в библиографии все использованные источники и ог-
раничился трудами, имеющими принципиальное значение.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодар-
ность проф. Ю. А. Нехендзи за совместную работу по созда-
нию принципиальной направленности курса, акад. А. А. Бочва-
ру, проф. П. П- Бергу, проф, К. П< Бунину, доц. А. Е. Криво-
шееву и ряду товарищей по работе за ценные указания при ре-
цензировании и просмотре рукописи.
ВВЕДЕНИЕ
Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа
с другими элементами, характеризующийся эвтектическим пре-
вращением. В зависимости от формы углерода, обусловливаю-
щего вид излома чугуна, различают следующие отливки.
1. Отливки из серого чугуна, в которых углерод на-
ходится, главным образом, в свободном состоянии, чаще всего
в виде пластинчатого графита.
2. Отливки из белого чугуна’, в которых углерод
находится в связанном состоянии в виде карбидов.
3- Отливки из отбеленного чугуна, в которых
часть сечения (внешняя) состоит из белого чугуна, а другая
(внутренняя) — из серого чугуна.
4. Отливки из ковкого чугуна, получаемые в ре-
зультате отжига белого чугуна. В процессе этого отжига мо-
жет происходить окисление и удаление углерода (обезуглеро-
живание отливок) или распад карбидов с образованием округ-
ленных включений свободного углерода (углерода отжига). <
Ковкий чугун, получаемый по первому способу, имеет светлый
излом и носит название белосердечного. Ковкий чугун,
получаемый по второму способу, имеет темный бархатистый из-
лом и носит название черносердечного.
Чугун отличается сравнительно низкой температурой плав-
ления и хорошими литейными свойствами. Поэтому он издавна
применяется как литейный материал при производстве разнооб-
разных и сложных отливок.
Ряд исследований доказывает, что еще за шесть веков до нашей эры
отливки из серого и белого чугунов были известны в Китае, где благодаря
природным особенностям руд можно было пол уч at ь чугун с высоким содер-
жанием фосфора (до 7%) и низкой температурой плавления ,(окодо 950°).
В России, как и в Западной Европе, производство чугунного литья нача-
лось в средние века. В XVI веке, при Василии III и Иване Грозном, оно
Начало широко развеваться в Москве, а окрестностях Тулы и Каширы и т. д. |
С тех пор чугунолитейное производство, благодаря упорному труду
и таланту русских мастеров, непрерывно расширяется в нашей стране. I
В Петровскую эпоху, в связи с развитием уральской металлургии, Россия |
по выпуску чугуна превзошла все страны мира.
С постройкой ряда заводов на Урале (Невьянского. Каменского Ала-
паевского. Нижнетагильского и др.) и в Олонецком крас (Петровского
и др.). Россия уже в первой четверти XV11I века стала экспортировать
железо и чугунные отливки за границу. Каслинский завод, который изго-
товляет сейчас сложные художественные отливки, уже в то время славил-
ся своим тонким литьем.
Введение
9-
Особо следует отметить в тот период деятельность Баташева, построив-
шего ряд за водой в районе средней и нижней Оки и приспособившего свою
продукцию к требованиям ринка. Он первый построил в 1774 г, специаль-
ный литейный завод (Гусевский) с применением на нем литья второй
планки в особых поворотных шихтпых печах (прототипах вагранки).
Самобытным путем построена у нас также стационарная вагранка в виде
восьмигранной кирпичной шахтной печи, носившей поэтому название «во
гранях». Таким образом, патент, выданный впоследствии в Англии Виль-
кипсону на якобы изобретенную им вагранку, не может опровергнуть не-
сомненный приоритет нашей страны в этом отношении.
Особенностью чугунолитейного производства начала XIX веда является
отделение литейных цехов от доменных, окончательное закрепление чугуна
второй плавки и организация литейных в местах наибольшего спроса на
чугунные отливки — в больших городах, при машиностроительных заводах.
Кроме того, литейные специализируются и механизируются. Появляются
специальные труболитейные, литейные ковкого чугуна, художественного
литья, эмалированных отливок и т. д.
Плавильными аппаратами в этих литейных служили торны, пламенные
печи и вагранки, в зависимости от рода топлива и типа отливок. Так, на-
пример, .при отливке крупных деталей, для которых требовалось большое
количество чугуна с низким содержанием углерода и кремния, применялись
пламенные печи, Для мелкого литья и ковкого чугуна — тигельные горны,
в других случаях—вагранки. Последние потребляли тогда большое количе-
ство топлива и работали неэкономично, но постепенно совершенствовались.
В частности, в конце Х(Х века в России уже был применен подогрев
дутья для вагранок К. <1>. Неймайером на Людиповском заводе и С. А. Да-
мовым ид Онежском.
В середине XIX века развивается производство фасонного стального
литья. Это дало мощный толчок научным изысканиям в области чугуноли-
тейного производства. В последней четверти XIX века установили роль крем-
ния при коксовой плавке, изучили влияние углерода, легирования и терми-
ческой обработки чугуна нп его свойства и т, д.
Русские техники и ученые во многих вопросах положили основу и спо-
собствовали развитию науки о литейном производстве. Наиболее выдающа-
яся в этом отношении работа была проведена во второй половине XIX
века проф. Д. К. Черновым—основоположником современной металлогра-
фии. Большое значение имеют также работы А. С. Лаврова и Н. В, Кала-
куцкого в области ликвации, образования внутренних напряжений и т. д.
Несмотря на все эти успехи, развитие чугунолитейного производства
В XIX веке шло медленно вследствие отдаленности базы производства (Урал,
Сибирь) от машиностроительных заводов. Литейная техника в старой России
совершенствовалась не па Урале и не в Сибири, а в центрах машине*
строения, которые организовались в больших городах, и в первую очередь—
в Петербурге и его окрестностях. Здесь был построен ряд литейных второй
плавки, переплавлявших привозной чушковый чугун.
Старейшими литейными заводами были: Кронштадтский, оборудованный
пламенными печами и дававший около [200 т литья в год, главным образом
пушек и снарядов; Петербургский, оборудованный вагранками и отливавший
около [600 т в год разных машинных деталей; Ижорский (’Колпинский).
изготовлявший детали для военных судов; завод Берда, оборудованный как
пламенными печами, так и вагранками и дававший разнообразные чугунные
отливки, и др.
Используя богатое наследие прошлого, литейщики XX века продолжал;!
совершенствовать свою работу. Этому в значительной мере способствовали
труды русских ученых (М. А. Павлова. Д. А. Байкова. Е. В. Грчм-Гржи-
«зило, г t ^уР1]акопа, Н. М. Витторфа, С. С. Штейнберга. М. Г. Окпова,
А. М. Ьочвара и др,). которые вписали много славных страниц в науку
10
Введение
о металлографии и металлургии желеаа и его сплавов, Atom сделано
русскими специалистами (В. Н. Кнаббе, А. П. Гавриленко, М. Г. Евангуло-
вым и др.) и непосредственно в области чугунолитейного производства. Это
богатое наследие широко развивают теперь советские ученые.
Основными потребителями чугунных отливок являются ма-
шиностроительная, металлургическая, строительная и оборон-
ная отрасли промышленности. Насколько велика потребность
в этих отливках, можно судить по тому, что удельный вес их
в машиностроении составляет в среднем около 50% от веса
машин и около 200 т на 1 млн. руб. машиностроительной про-
дукции. Производимые в настоящее время отливки чрезвычай-
но разнообразны. Толщина их колеблется от 2 до 500 мм, вес
от 10 г до 250 г, габариты от 1 см до 30 м.
Особенно бурным развитием литейной промышленности
характеризуется эпоха Сталинских пятилеток.
Литейное производства СССР уже в настоящее время пе-
регнало по абсолютному выпуску все европейские страны, а по
темпам развития (увеличение выпуска литья вдвое через каж-
дые пять лет) обгоняет и США. Такое развитие оказалось воз-
можным благодаря огромным преимуществам социалистиче-
ской системы хозяйства, обеспечившей постройку ряда мощ-
ных, механизированных литейных. Эти гиганты советской про-
мышленности превосходят по своему оборудованию и объему
производства' лучшие литейные капиталистических стран.
Наша социалистическая система хозяйства наилучшим об-
разом обеспечивает также совместную работу научно-исследо-
вательских институтов и заводов. В результате этой большой
коллективной работы созданы научные основы литейного про-
изводства и доствгнуты огромные успехи в количественном
и качественном1 развитии чугунного литья. Благодаря этому
стало возможно удовлетворять существующие и с каждым днем
возрастающие технические требования к чугунным отливкам.
Чугунные отливки занимают не менее 70—75% от общего
количества отливок из всех сплавов. При этом среднее соотно-
шение стоимости разного рода отливок может быть представ-
лено следующими данными:
Материал Серый чугун Копний чугуи Сталь Цветные
отливок сплавы
Относи-
тельная
себестои- 100 J30 160 600
мость, %
Чугун является наиболее дешевым литейным материалом.
Борьба за дальнейшее повышение качества и снижение
себестоимости отливок является важнейшей задачей советских
литейщиков. Советские машины должны быть не только самы-
ми лучшими, но и самыми дешевыми в мире.
Отдел первый
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ
В ЧУГУНЕ
ГЛАВА I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
ЧУГУНА
Элементарное представление о структурных составляющих,
образующихся при кристаллизации сплавов в равновесных ус-
ловиях, дают диаграммы состояния. Для чугуна с этой целью
Углерод, %
Рис. 1. Двойная диаграмма силиции железоуглеродистых
сплавов
пользуются двойной диаграммой состояния, одновременно пред-
ставляющей липни метастаб ильного (Fe — Fe^C) и ста-
бильного (Fe—Сгр ) равновесия (рис. 1).
Однако, пользуясь этими диаграммами, надо иметь в виду,
Что реальное поведение сплавов отличается от равновесного.
В частности, чугун обычно кристаллизуется как по стабильной,
т
12
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
так и по метастабильной системе с соответствующим образова-
нием графита и цементита. Следует учитывать, что диаграммы
равновесия дают нам представление только о составе, а не
о форме образующихся фаз, и о конечном состоянии сплава
безотносительно к скорости и механизму процесса кристалли-
зации. Поэтому суждение о механизме процессов кристаллиза-
ции не может быть сделано на основе диаграмм состояния.
Процессы кристаллизации и перекристаллизации чугуна
(первичной и вторичной кристаллизации) являются в большин-
стве случаев диффузионными процессами и управляются двумя
основными параметрами:
а) скоростью самопроизвольного образования заро-
дышей ) и количеством имеющихся готовых или, так на-
зываемых, вынужденных зародышей (w),
б) линейной скоростью роста этих зародышей (у).
Во всех случаях процессы кристаллизации протекают толь-
ко после достижения некоторого переохлаждения, хотя экспе-
риментально оно и не всегда обнаруживается вследствие того,
что незначительно по величине или имеет только местный ха-
рактер (в пределах какого-либо элементарного объема металла).
Величина переохлаждения в сильной степени зависит от
скорости охлаждения, в первом приближении от приведенной
/ n и объем \
толщины отливки /< = -—=----------------, термофизических
\ О поверхность /
констант формы и от состояния металла.
Приведенная толщина пропорциональна отношению теплосодержания ме-
талла к поверхности охлаждения и определяет, в известной мере, скорость
охлаждения отливки. При достаточно большой длине (/) отливки можно
пренебречь ее торцевыми поверхностями охлаждения по сравнению с боко-
выми. В этом случае приведенная толщина (R) простых но конфигурации
отливок может быть определена, как отношение площади сечения (F) от-
ливки к периметру (и);
» Г =к г
О ~ til ~ и
Так, например, приведенная толщина плит, брусков, цилиндров, шаров
и т. д. с диаметром D или с толщиной стенок S составляет:
Форма отлипни
или —
и.
Куб
У
6
Квадрат-
Шар Цилиндр ный брусок Плита Втулка
D_ О_ S S D~D' $
6 4 4 2 4 = ~2
Термофнзическими константами формы, определяющими скорость охла-
ждения отливки, являются теплопроводность, теплоемкость’ и уд вес ма-
териала формы и соответствующие коэфицпенты температуропроводности
и аккумуляции теплоты. Сопоставляя эти данные для разных форм можно
Теоретические основы кристаллизации чугуна
13
' видеть, что скорость охлаждения отливок в металлических формах больше,
чем в песочных.
Материал фор- Тепл опро, ши-
ны >
ftOCTt. Л,
«пл/гм сек °0
Чугун
Формовоч-
ная
пая
0,12
0,14
несоч-
смесь
0,0018
0,26
же касается состояния металла.
Теплоемкость
с, Ka/Ti ,-
Уд. sec Щ ?/л*' Кпэфициент томперату- ропроаодности «— — . dr СЛа/С^Л-' Козфиццент ак' кумуляции теП’ J11VI Ы —-4 n-j Y<i ка.11см*сен'1*'>^
7,2 0,120 0,350
1,7 0,004 0,029
1, то оно определяется : количеством
Что -----------г „ . . ..
готовых (вынужден®11^ зародышей, которые в значительной мере обуслов-
ливают степень нереохлаждения сплава.
Время полного затгердевания отливки ( с ) в первом при-
ближении может быть определено по формуле:
где R — приведенная толщина отливки, см‘,
q—«йнстанта затвердевания (см'сек ), численно равная
толщин^ затвердевающего слоя в первую единицу времени.1
Такая же зависимость установлена для толщины нарастаю-
щего. При затвердевании твердого слоя,
/ ' х = аК~ (!а)
где х - слой затвердевшего металла за время".
Значение q является, таким образом, постоянным в течение
йсего процесса затвердевания, за исключением, однако, послед-
него периода, когда вследствие охлаждающего действия за-
твердевшей части константа затвердевания заметно возрастает.
С увеличением температуры заливки (теплосодержания ме-
талла) и уменьшением теплопроводности формы константа за-
твердевания уменьшается. Поэтому значение q для песочной
Или подогретой формы меньше, чем для металлической и хо-
1 Кроме приведенной толщины необходимо учитывать еще другие фак-
торы (массу информу отливки) путем введения соответствующего коэфи-
циента " & ~^Г- Например, Б. В, Рабинович показал, что время затверде-
вания чугунных отливок с одной и той же приведенной толщиной (/?) воз-
растает с увеличением веса отливки вследствие большего прогрева формы
протек mi дим металлом:
Dre Ы.И1ВКЦ (при Д-1,1 г.*), ь,-......2,1$ 3.60 6,0 7,6 10.0
затвердемшш, сек................4Ю 470 збо г,бо 370
Б Б. Гуляев отделил значение г: плита—1.0, цилиндр—0,76, шар и куб—0.47
1!
кристаллизация и стрщстурооб разевание в чугуне
лодпой. В зависимости от указанных условий абсолютная вели-
чина константы затвердевания для чугуна колеблется в преде-
лах д = 0,1 “0,3 см/сек '/•.
Образование первой топко» затвердевшей ПЛеиК|,
обычно не сразу, а спустя некоторое время после заливки. Этот промежуток
времени, как показали некоторые исследования тем больше,, чем толще от-
ливка и меньше теплопроводность формы (рис, <.
В металлических формах
такая корка образуется
Рис. 2. Кинетика затвердевания чугунных отли-
вок толщиной 37.5 и 75 мм в песочных и ме-
таллических формах-.
* ~" л'сочно-м; смесь; 2 — формовочная смесь с зер.
нистостыо 140—200; 3 — то же. о зернистостью 100—200 и
1.S/< угля; 4 — тп же. с зернистостью ТО—МО и 2.1’/, угля-
В — то же. с зернистостью 40—100 н 6.5’,'о угля
через 1,5—9.0 сек., а в
песочных — спустя 10-
40 сек. и больше.
Известное влияние
на скорость затвердева-
ния отливок оказывает
также состав формовоч-
иой смеси. Песочно-ма-
дляные смеси способст-
вуют ускорению затвер-
девания отливки. При-
бавка же каменного
угля создает изолирую-
щую рубашку и замед-
ляет затвердевание.
Так же действует и 66-
разование зазора между
отливкой и формой, в
особенности металличе-
ской. Образование зазо-
ра является следствием
усадки металла и при-
водит к резкому умень-
п Шению отвода тепла,
повышая температуру заливки, а следовательно и теплосодержание (Q)
металла, или увеличивая подогрев формы, можно соответственно уменьшить
скорость затвердевания отливок и переохлаждение чугуна э процессе его
первичной кристаллизации.
Изменение температуры отливок в твердом состоянии мо-
жет быть определено в первом приближении по следующей
формуле:
_ь-
заливки;
формы;
(2>
где ?;+: —температура
— температура
~ —время;
к коэфипиент, определяющий скорость
который по опытам автора может быть принят для мелких «V-
. 0.01.5
гунпых отливок к~------.
скорость охлаждения.
Ир и этом коэфипиент, определяющий скорость охлаждения,
тем больше, чем больше коэфипиент теплоотдачи от металла
к форме (з кал/см* сек QC), и чем меньше приведенная толщи-
на отлнькп (/?), уд. вес металла (d) и его теплоемкость (с).
Теоретические основы кристаллизации чугуна
15
Поэтому формулу (2) можно представить в следующем виде:
*1
/- и.„ -у «г*-(/.-у 1 * (3)
Более точное определенно изменения температуры охлаждающихся от-
ливок может быть произведено посредством функции двух ииварилнтон
(Фурье п Нусссльта);
где А — теплопроводность:
«—-коэфипиент теплоотдачи;
а — коэфициеит температуропроводности.
Л
Рис. 3. Изменение температуры при охлаждении отливок
в зависимости от приведенной толщины (R):
ft — на поверхности
ратура заливки, -^т
отлщвкн; б — в центре от лип да,, f г— темпе-
- л,
— критерии Фурье, —д - —. критерий Нусхельта.
f
Эту функцию, а значит и отношение — для наружной поверхности
и для центральной части тела отливки легко найти по соответствующим
графикам (рис. 3) 1.
t
Отношение уменьшается, а скорость охлаждения повышается с увели-
1-.К 3 А-
чснием обоих инвариантов 2 и — Интересно отметить, что произведен ие
1 В литературе даются разные графики в зависимости от конфигурации
тел (плита, цилиндр, шар), ио их можно объединять без большой погреш-
ности, если под R понимать приведенную толщину, как это сделано аитором
на рис. 3.
16 Кристаллизация и структурообразование в чугуне
их совпадает со значением инварианта кт в формуле .'3):
ат aft _ _“L_
д* ‘ к !=' deft1 * fide
Таким образом, скорость..«охла>кдедия отливкн...» твердом
состоянии: X
_/!(,-£ф)Ц-~ (4)
а-- Ч.
а следрвательйо<'и переохлаждение_чугуна в процессе перекри-
сгаллизацйцГ^тём1бЬльше. чем больше разность температур ме-
жЗ^металломи формой (t — {ф ), чем больше коэфициент теп-
лоотдачи от металла к форме (о.) и чем меньше приведенная
толщина отливки (ft), уд, вес металла (d) и его теплоемкость (с).
1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СТРУКТУРУ ЧУГУНА
Теория Таммана рассматривает образование центров кри-
сталлизации, как самопроизвольный процесс, протекающий од-
новременно по всему сечению отливки в результате переохлаж-
дения. В действительности при кристаллизации создается пере-
пад температур, и процесс протекает последовательно от стенок
формы, а не одновременно по сечению отливок.
Кроме того, положение теории Таммана о самопроизвольном
образовании зародышей оказалось не исчерпывающим. Ряд
советских исследователей, возглавляемых Н. Т. Гудцовым и
А. А. Бочваром, показал, что в реальных отливках, т. е, в боль-
ших массах металла, переохлаждение экспериментально не
обнаруживается. В полном1 соответствии с этим 1 находятся
взгляды А. А. Байкова и М. Г. Окнова, согласно которым
жидкий металл является всегда «замутненным», т. е. в нем
имеются готовые зародыши.
Многочисленные данные практики свидетельствуют боль-
шой роли готовых центров кристаллизаций'',, присутствую щи х
в ра’сТПТавё'прй температурах выше ликвидуса (кристаллизации).
Эти здродыши. «зачатки» по терминологии Д. К- Чернова, вы-
зывают, так называемую, вынужденную кристаллизацию с со~
ответствующим умеяьшениёКгттеТ^охЖжденцй. 1 ак," на пример,
современная литейная’’ практика широко применяет для раз-
мельчения структуры и улучшения свойств сплавов присадку
перед заливкой малых добавок, действие которых может быть
ио многих случаях объяснено только*созданием вынужденных
1 [,е[ 1Тров ~ криёта^Т[за[ПшГ~Тдкое образоващ!е вынужденi>ыгГ~за
р'одьтпюй^Дз^швкаТДшровергает положение Таммана о том,
что кристаллизация протекает исключительно под влиянием са-
мопроизвольных зародышей. Однако, это не исключает' роли
Теоретические основы кристаллизации чугуна
17
самопроизвольных центров кристаллизации наряду с вынуж-
Децдыйж^
fi пользу признания образования самопроизвольных центров
кристаллизации говорят многие современные исследования
и теоретические соображения о жидком состоянии и неизбежно-
сти переохлаждения при кристаллизации. Теория этого во-
проса блестяще разработана Я. И. Френкелем. Реальное суще-
ствование самопроизвольной кристаллизации в металлах экспе-
риментально впервые доказано В. И- Даниловым. Таким обра-Д
зом, кристаллизацию (первичную и вторичную) следует в. на-
стоящее время рас сКГЗТрТТЕ'ать^сЗкГ процесс самой р о и звол ьн Ь[ й
и вынужденный одновременно^ - " • -----' '
а) Образование самопроизвольных заро-
дышей. Современная физика рассматривает жидкое состоя-
ние, как промежуточное между полностью упорядоченным
твердым (кристаллическим) состоянием и хаотическим газовым.
В кристалле атомы правильно располагаются по узлам-
ре щетки, сохраняя так называемый «дальний» порядок. В жид-
ком же состоянии такого порядка уже нет, но все еще сохра-
няется так называемый «ближний» порядок, т. е. более или-
^мснее правильное расположение атомов (ионов) по отношению;
pvtpyr к другу, но не по отношению к узлам решетки. При этом)
степень упорядочения жидкости повышается с приближением!
температуре кристаллизации.
X Эти жидкие растворы, или чистые металлы,- нельзя рассмат4
ривать субмикроскопически как однородные даже в том слу-1
чае, когда условия и время диффузии были достаточными для!
получения микроскопически однородной системы. Естествен-!
ные колебания (флуктуации) концентрации и энергии создают)
статистически неоднородную систему. В ней встречаются участки'
со всевозможными отклонениями от среднего состояния вплоть^
до 100% углерода, железа или другого элемента. При этом/
как отмечает Я. И. Френкель, наряду с обычными («гомоген-
ными») отклонениями, которые не связаны с изменением
агрегатного состояния, всегда образуются новые агрогаТн.ые|
комплексы («гетерогенные» отклонения), играющие роль за-!
родышей новой фазы. Qhh и являются самопроизвольными за-
РОДы.шами, вызывающимц самопроизвольную кристаллизацию. |
Однако в противоположность мнению Таммана такие заро-1
дыши образуются еще в «предкристаллизационном» периоде, но
устончивыми_лщ^пособнь1М11 к росту они становятся только..при
изпестнбй степени переохлаждения. Скорость их образов,шщ!|
(/V...) определяется известной формулой из флуктуационной
теории:
У ___ А
кТ кТ
2 3«t,
и с с1
кТ кТ(ДТу
(5)
, ,,1Я
(О I ЦК;
18
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
где NI, — число зародышей, образующихся в единице объема в едини-
цу времени; „ , .
f/e _ коэфицнеят, примерно равнин общему числу частиц (атомов,
ионов молекул) и единице объема;
U — энергия активация частиц при переходе из жидкости п за-
родыш;
A’J’mukc— изменение потенциала или работа образования критического
зародыша, составляющая всегда к! его поверхностной
энергии;
Г — температура;
ДГ — переохлаждение;
к— постоянная Больцмана;
а — поверхностное натяжение на границе зародыш—жидкость;
с — коэфициеит.
Чем меньше размеры, а следовательно и работа образова-
ния критического зародыша (ДФ |,вс) и чем меньше энергия
активации частиц при переносе из жидкости в зародыш, тем
I _ и Дфминс.
больше вероятность образования ( TF ~1г— ), а следователь-
\ е /
но и число зародышей (/V..)-
Из формулы следует, что число зародышей растет с пони-
жением температуры до известного предела, а затем падает,
как это и соответствует известному ходу кривой скорости
зарождения центров кристаллизации.
Однако практическое значение имеет только первая ветвь
и член е
В статистически неоднородной системе, какой является всякий металл,
концентрационные отклонения определяются числом частиц в соответствую-
щем объеме. Пренебрегая для грубого расчета взаимодействием частиц,
можно рассчитывать вероятность таких отклонений (флуктуаций) по изме-
ненной формуле Пуассона:
е/—' -/
<6>
где: е—среднее количество частиц в рассматриваемом объеме;
f — Отклонение, т. е. искаженное количество частиц в том же объеме.
В чугуне, например, с 3,6% С атомный процент углерода составляет 15%,
3,6
12
'/о (-ат — ,,,,, г, . , ,,
101)--3,о з.б
5b 12
ICO = 15%.
Это зпйчит. что на участок с 20 атомами приходится в среднем 3 атома
углерода и 17 атомов железа. В таком участке, следовательно, t -- -
Пользуясь формулой (б), легко рассчитать вероятность обогащения та-
кого участка до цементитнон концентрация (6,67%С = 25 атомных процен-
тов) или до чисто графитной (ШО.% С). В первом случае отклонение в этом
Ттрпт<,чт>ские_оСШвы кристаллизации чугуна
19
.«участке состарит: / = 20 - 0,26 = 5 атомов углерода Во втором случае
</=20 атомов углерода. Вероятность этих отклонений составит:
,Л-з. З1
$.10 , ^0 = 0.4 ---------—--------7,2-10 .
idKHAKOco чугуна ршшым 6,8 г/см, а число атомов
з 1 сл<э
102’.
7.4 1и12
----—-----= 3,7 • 10"
Принимая удельный число атомов
в грамматоме —• оД)С>»1*^* „
!• Ь>о
-------бф0б - 10-3 = 7,4-
56
Число участков с Ж атомами в каждом:
' ' : ^*°= 20
Число обогатеЙИ® участков:
число н/=3,7 • I031.5 - 10-5 = 1,8. Ю”,
' М»= Мм ^ = 3,7- 1(Я 7,2. 10^ = 2,7 - 10"
Таким Об/йЗОМ. очень малых участков, обогащенных до 6,67% и 100% С,
имеется В' каждом кубическом сантиметре чугуна огромное количество, но
вероятаосйг смгклонений понижается с увеличением размеров участков. Как
показал К. п. Бунин, количество таких участков тем больше, чем выше
упя^еятращяя углерода в чугуне, чем меньше рассматриваемое отклонение
(W 9,в7> Л too) и чем меньше размер участка (малых искаженных участксв
больше, чем больших). Следует подчеркнуть, что количество таких участков
может быть значительно увеличено неоднородностью раствора (ликвация,
веполнота диффузии и т, и.), что в реальных неравновесных условиях
всегда имеет место.
Аналитическое доказательство существования обогащенных до 100% С
участков И. Н, Богачев и К. П. Бунин видят в том, что в чугуне, в том
числе в в малокремннстом, всегда обнаруживается химическим путем неко- ,
торое количество субмикроскопического графита (0,08—0,3%), даже при са- I
МЫХ больших скоростях охлаждения, например, в десятки тысяч градусов I
в секунду. Это объясняется тем, что в жидком чугуне, вследствие статиста- |
ческих неоднородностей, всегда есть некоторое количество графита. .
Однако такая неоднородность является только концентрационной подго- 1 ]
ТОВКОЙ к образоаанвю зародышей. Чтобы стать зародышами участки, J I
Обогащенные до необходимой концентрации, должны перестроить свою кри- / I
сталлическую решетку в соответствии с новой фазой или изменить агре-/ I
Гатное состояние и, таким образом, обособиться от маточного раствора. 1 ’
Термодинамическая возможность такого обособления и устойчивость i
образующегося зародыша определяются энергетическим балансом образо-
вания новой фазы. Так как всякий самопроизвольный процесс может итги
Только в сторону понижения свободной энергии системы, то устойчивым
оказывается лишь такой зародыш, рост которого сопровождается уменьше-
нием термодинамического потенциала. Работа образования зародыша рпре-
деляетра .разницей в величине термодинамического потенциала старой (у и
и-^2£?^_££4-Фа.з''.'и. .работой образования поверхности раздела между заро- i
дышед. и -из^очныд „раствором..
Если обозначить радиус ___________________ ___ ___ .................
Ме-’ЖДУ' фазами п, то изменение термодинамического потенциала
^,7 а сл«1оватольно и работа”'при бДтпгзпвяиий aapoJfiWS изотер-
мических условиях, составит:
4
— (*зг— ?,) + 4пг3с (?)
а ..
зародыши г. уд. вес его „с/, поверхностное
ЛФ =
2*
20
Кристаллизация и стрцктурообраэование в ш/еуне
Первый член формулы (7) означает, изменение объемной энергии, в.тс-т|
рой член — поверхностной. ТерДбдйПамявеский потенциал обеих фаз в ус- f
ловиях равновесия, т. е. при температуре кристяллн.ищии, одни и тот же i
(f9 = tj). ПрИ высоких температурах более устойчивым является маточный
раствор и ?г > ?|. Наоборот, при темпе-
Рис. 4. Схема изменения тер-
модинамического потенциала
системы в зависимости от раз-
мера зародышей
ратурах ниже критической и в условиях
переохлаждения новая фана оказывается
более устойчивой , и характеризуется, сле-
довательно, меньшим термодинамическим
потенциалом' Второй член урав-
нения (7) имеет всегда положительное зна-
чение.
Таким образом, уменьшение энергии
системы (ДФ) при образовании самопроиз-
вольных зародышей может происходить
только в условиях переохлаждения, когда
уменьшение объемной энергии перекры-
мкнимальная устойчивость (1Ф =
значение ДФ падает, вследствие
вает повышение поверхностной (рис. 4).
Поэтому увеличение размера зароды-
ша (/) в переохлажденной системе
(70—Г > 0) ведет сначала к понижению
его устойчивости, так что при определен-
ной величине зародыша (г0> получается
= -1Фм:1нг ). С дальнейшим повышением г
; чего зародыши становятся устойчивыми.
В системе же непереохлажденной (Т^— Т < 0) увеличение г приводит к моно-
тонному повышению Д н и поэтому не может дать устойчивых зародышей,
размер устойчивого зародыша (го) определяется из усло-
Критический
шя :— •=
dr
ЙФ о
— = 4пг” d (?а — ?t) 4- 8 пг0 о = О,
(8)
2т
Г° d (?t - <р2)
(8а)
где г0—размер минимально устойчивого зародыша.
Поэтому из всех возникающих в переохлажденной системе самопроиз-
вольных зародышей устойчивыми оказываются только те, которые имеют
размеры больше критического.
Из формулы (8) следует, что с понижением температуры, а значит
в увеличением переохлаждения, критический размер зародыша уменьшается
вследствие увеличения значения (<?i— 9з). Это значит, что с понижением
температуры число устойчивых зародышей (> г0) увеличивается, несмотря
на то, что общее число отклонений уменьшается. Однако при известном
переохлаждении влияние второго фактора (уменьшение числа отклонений
с понижением температуры п с увеличением вязкости) начинает
преобладать, и скорость зарождения центров кристаллизации уменьшается.
Этим объясняется известный характер кривых Таммяна, иллюстрирующих
зависимость скорости зарождения зародышей в единице объема от
величины переохлаждения.
Подетагшв значение гп в формулу (7), можно найти работу образования
критического зародыша н после некоторых преобразований полу-
чить ранее приведенную формулу' (5).
Скорость зарождения зарэдыв<ей увеличивается с переохлаждением, до-
стигает максимума и затем падает. Однако, жидкие сплавы в малой сто-
Теоретические основы кристаллизации Чугуна
21
пени склонны к переохлаждению К характеризуются малой скоростью’
зарождения кристаллов, По даннщ^Ик^?.: Ми р к ин а. скорость са мощ>ои3~;
вольного . крист алло.о.брадйвамяк..,ДЩЬЛ^011 ‘’К • KJ?ции спл|йЙД
намеряется несколькими зародышВми.-Э-ДД.^.*•_ ПРи вг°Вечной же..Д£ЦИл
сталлизаниц опа в миллионы раз оолГше, Достигая ТО зародышей
1 Расчет общего количества зародышей весьма сложен. Согласно теории
Таммана. количество образующихся в единице объема и единице времени
самопроизвольных зародышей является постоянным при изотермическом
процессе. Это положение справедливо только в первом приближении, так
как на самом деле значение N ” возрастает. Однако даже принимая зна-
чение Kv постоянным ВО времени, следует при расчете количества обра-
зующихся зародышей учитывать как изменение температуры, так н посте-
пенное уменьшение объема маточного раствора в процессе кристаллизации.
Зародыши обрззуются,_йбШ№ в местах • с..повиш.енв,^ эяевдтащрдам
уровнем- юДцмиияаТ'кРИсталлитов, у включений и_д_____д^Что касается
формы~Дарэдь|ДйЙ', fiT~5 этом отношении они могут быть классифицированы
как тпехмерные двухмерные или даже одномерные, в зависимости от того,
образуют ли они многогранники, многоугольные слои или цепочки.
Лри возникновении зародыша в объеме, мы имеем дело с трехмерными
образованиями, л он росте же центров'кристаллизации ва гранях их УбЦа^
зукхгея двухмерные зародыш^.-- • '
б) Обр азование вынужденных зародышей.
Вынужденные зародыши могут быть остаточными1 или
чужеродными. К первым принадлежат остатки микрокри-
сталликов самой кристаллизующейся фазы, не успевшей пол-
ностью разрушиться при плавлении или при переходе через
критический интервал превращения (остатки графита, карби-.
дов, железа и т. п.). Их количество уменьшается с повышением I
перегрева сплава над температурой кристаллизации и с увели-I
чением времени выдержки при этой температуре. |
К чужеродным зародышам принадлежат посторонние включе-
ния или выделения из раствора до момента кристаллизации.
Однако, как указал А. А. Байков, ошибочно считать, что лю- 1 >,
бое включение может служить зародышем для кристаллизую- ; '
-щейся фазы. По мнению П, Д. Данкова, между кристалле гр а- 1
фическими структурами зародыша и кристаллизующейся фазы j
Должно быть соответствие в строении и разница в параметрах /
не более 15%, Поэтому наиболее..эффективными зародышами j!
являются ,микрркриста л лики кристаллизующейся фазы или изо- ‘
м_орфнога .слей, вещества. Остальные включения могут играть
роль зародышей, т. е. быть Йктщвнымй, если бйй адсорбируют
на сваей Поверх прс'ги м оле #у д йГ ’илц атом ы ’ кристалла зуюш е йен
фазы или перестраивают свей „поверхностный слон в соотвст-
..кристаллизующейся -фазой. Если этот слой по какой-
либо причине разрушается, включение дезактивируется, т. е.
перестает служить зародышем. Каков бы, однако, ни был
! Термин «остаточные» зародыши имеет чисто условный характер.
22
Кристаллизация и структураобразование в чугуне
механизм действия чужеродных включений, роль их весьма
велика, и при кристаллизации сплавов часто пользуются введе-
нием этих зародышей с целью изменения структуры. Такой
Процесс носит название м од и Ф f| ц и Р о в а и и я.
Возможность образования тех или иных соединений при мо-Л
Дифицировании обусловливается знаком изменениуцлермодина-ft
Рис. 5. Тепловой эффект реакции и изменение свободной (стандартной)
энергии при образовании окислов, карбидов, нитридов и сульфидов на еди-
ницу веса Оз. N2, С, S
мического потенциала (иди свободной энергии) системы при со-
ответствующих реакциях. Скорость этих реакций определяется
законом действующих масс и энергией_актцва’ции.
' В настоящее время нет достаточных данных об относитель-
ных скоростях всех возможных в чугуне реакций. О вероятно-
сти образования тех или иных соединений можно судить по
величине изменения свободной энергии при соответствующей
температуре или. в крайнем случае (в качестве грубого прибли-
жения), по величине теплового эффекта на единицу реагирую-
щего элемента (Ог, N2, С, S), как это представлено на рис. 5.
Однако изменение величины свободной энергии в реальных
условиях зависит еще от концентрации элементов в растворе.
Чем больше эта концентрация, тем меньше соответствующее
изменение свободной энергии. Следовательно, тем больше
в этих условиях будет возможность образования зародыша. По-]
этому прибавка не только кальция, магния, алюминия, цирко-/
ния, но и кремния может создать неметаллические включения!
Теоретические основы .кристаллизации чугуна
1м зародыши в чугуне. Такое действие кремния, несмотря нд его
высокую концентрацию в чугуне, объясняется тем, что, передо-»
дя в раствор, он не успевает продиффундировать. Это создает!
местные повышения концентрации ^кремния и понижение уп-’
ругости диссоциации его соединении, вследствие чего кремний,
несмотря на малые добавки, может образовать значительное
количество зародышей- При применении же комплексных моди-
фикаторов, ход реакций определяется не только изменением
свободной энергии при обрезов амии простых соединений в рас-
творе, но и возможностью образования сложных соединений
и кинетикой этих процессов.
к
п
CzioTwMyravwffHte соединения могут служить центрами кшЦ
стал fmminra '^-^У^ёГв^о^0^таточн.о, тугоплдт-ЛИС-Д
пепсны, м5«Гваствм.имы.. в чугуне, однотипны п0 структуре)
с ~крйё^?”^ВУ1ОЦ*ё^я фазой или способны создавать ^соответ-г
ствукййий кри^^ДЯЧтекии "слои- на' своей поверхности. Такие/
импт*кальций, алюминий, титан, цирконий, крем-1
иий й т д, Эти элементы в том или ином сочетании могут слу-|
Жить модификаторами для чугуна.
То же можно сказать в отношении так называемых оста-
«ЮЯШГэДЙШшсйТТИ^они/должны обдадать..ДЫСОКйЙ, темпсра-
‘Турой п;дян дрммь и сраинит^пк»п медленно растворяться в жид-
кбмГ и твердом паствопах. чтобы эффективно Действовать в ка-
Этому требованию удовлетворяют спёциаль-
дины и гояФи ' ^~^пГбшеиЙгГСКбрости растворения
чугуне в литературе существуют противо-
речивые мнения. ' •--------------------—
Ьо (йех случаях вынужденные зародыши должны быть до-
статочно дисперсны, по больше какой-то критической велн-
чины г0.
Первое условие необходимо для того, чтобы воспрепятство-
вать заметному всплыванию (падению) и слипанию кристалли-
ДО®. Действительно, из формулы (9) следует, что скорость
всплывания пропорциональна квадрату радиуса частиц:
v = ^-e(d—dj, (0)
где v—скорость всплывания;
Д- радиус включения;
ускорение;
. ,т1“~коэфициент динамической вязкости жидкого металла;
’ УД. вес металла и включения.
только*^ о'?мв°?1”ии этой Формулой следует помнить, что опа применима
Токов и повео»1>ЛЛНЫХ Условиях- в частности при отсутствии конвекШ|ОДиых
ЯСль пои мяли» о*тных явлении. Между тем последние играют большую
ри малых Размерах включений.
' 24
Кристаллизация и структурообрсаование в чугуне
Рис. 6. Схематическая зави-
симость общего числа заро-
дышей от числа вынужден-
ных зародышей
вий, либо увеличиться, либо
Всплывание (падение), слипание и удаление включений или кристаллов
происходят тем в меньшей степени, чем ниже температура (больше V
и меньше выдержка. Кроме того, скорость этого процесса уменьшается также
с увеличением смачиваемости включений жидким металлом. Так, например,
растворимые в чугуне скислы (FfiP) способствуют смачиванию силикатной
мути (SiOJ жидким металлом, вследствие чего опасность всплывания к
слипания этих частиц уменьшается.
Второе условие (зародыш должен быть больше какой-то
минимальной критической величины) необходимо для того, что-
бы обеспечить его устойчивость, что в одинаковой степени
относится как к самопроизволь-
ным, так и к вынужденным заро-
дышам.
В присутствии вынужденны^
зародышей кристаллизация про-1|
исходит при меньшем переохлаж-н
дении. Поэтому с увеличением!
числа вынужденных зародышей
количество самопроизвольных
центров кристаллизации умень-
шается (рис. 6).
Суммарное число зародышей
может, в зависимости от усло-
умепьшиться. Если система мало
склонна к переохлаждению, как, например, при кристаллизации
карбидной фазы в Fe-C сплавах (рис. 6, а), то с увеличением
количества вынужденных зародышей число самопроизвольных
центров кристаллизации уменьшается в малой степени. Общее
число зародышей при этом возрастает, а структура сплава раз-
мельчается. В противном же случае, когда система в сильной
степени склонна к переохлаждению, как, например, при кри-
сталлизации графитной фазы в Fe-C сплавах (рис. 6,6), общее
количество зародышей уменьшается и зерно укрупняется.
Таким образом, только сочетание самопроизвольной и вы-
нужденной- кристаллизации дает, возможность объяснить.. изве-
стный Из практики факт, что модифицирование может.з одном
случа§^размелъчйть,~й~в другом укрупнить структуру сплава,,
" OieayeT "подчеркнуть, "что в' пооц
зщай. “~ршгк'"' BbTHyjRATWEiX зародышей "сЖ:чйо' значительна
и часто^превалирует над. значением самопроизвольных центров.
В процессе же вторичной кристаллизации, как "правило, полу-
чается обратное соотношение. Однако и здесь вынужденные
центры играют иногда большую роль (например, пр+ь-графити-
зацни в подкрнтическом интервале).
в) Рост центров кристаллизации. Из формулы
(7) и рио. 4 следует, что устойчивый зародыш должен рейти,
так как с увеличением его размеров, когда г>г0, термодина-
Теоретические основы кристаллизации чугуна
‘25
мнческий потенциал уменьшается. ЕйСТ. зародышей может
пгушествляться либо диффузионным путем, когда., частицы .{мо-
ы, ноны) растворСТёМют на гранях зародыша,.,
либо путем слипания микро к ристал лов.
"Согласно к рн сталл и за ци онной' тебри и лилейная скорость ро-
ст^ кристаллов определяется фоВДХДОЙ»ч-п?1- ФоРмУле
^образования зародышей v=Ne к/ „ты
где Nf U, к, Т, c,i , ЛГ имеют тей
муле (5), но значения энергии активации и,
натяжения я и коэфициента N относятся уже
кГД Т CMiceK<
значения, что и в фор-
поверхностпого
к двухмерному
зародышу.
Векториальность свойств кристалла является причиной того,
что каждая грань его растет с определенной скоростью, так
что в свободных условиях роста в однородной среде образу-
ются идиоморфные кристаллы, внешняя форма которых
соответствует внутреннему строению. В этом случае линейная
Скорость роста каждой грани определяется какой-то присущей
ей величиной, постоянной во времени, но зависящей от темпера-
туры н других факторов.
В некоторых случаях рост граней может определяться
какими-либо внешними условиями, не зависящими от вектори-
альных свойств кристалла (диффузия, механические препятст-
вия и т. д.). Тогда ограиение кристалла не будет соответство-
вать его внутреннему строению, в результате чего образуются
аллотриоморфные кристаллы. Есл^ при этом приток
атомов (ионов) будет равномерный со всех сторон" то” крестал-
льт лолучают Форму ркругленных^выдёленЙ!?,
Бдльщод влияние на скоростьПроста оказывают поверхност-
ные явления, на которые можно повлиять путем введения
в чугун малых добавок. Этот процесс также называется м о-
м, кдк и процесс образования вынужден-
еых зярддын|едх рпичнне малых добавок в этом случае заклю-
чается в соответствующем уменьшении или увеличении
поверхностного натяжения (3) и работы образования зароды-
шей на межфазовых поверхностях (Г), в связи с чем разли-
чают положительные и отрицательные модифика-
торы. Наибольшее значение имеют положительные модифи-
каторы .Сч “уменъй а гот ' пбв ер х ностное натяжение и пове р х -
ноетную энергию (зГ) зародыша, а следовательно, и скорость
роста кристаллов. Рследствие такого влияния положительные
модификаторы адсорбируются на поверхности зародышей, как
это следует из уравнения Гиббса:
д п-г" Г;
дС С '
(И)
26
Кристаллизация и структцрообразование в чугуне
где Г. — адсорбция модификатора;
С — концентрация модификатора.
Уравнение (11) показывает, что сгущение массы на
/<# ’Л
поверхности обратно пропорционально сгущению энергии I — 1,
т. е. чем меньше поверхностное натяжение, тем больше адсорб-
ция. Таким образом, положительные модификаторы адсорбиру-
ются на поверхности зародышей, уменьшают поверхностное^
натяжение граней кристалла и замедляют их рост. В связи
с этим увеличивается время кристаллизации, повышается чис-,1
ло образующихся самопроизвольных зародышей и размельчает^
ся структура. I
Отрицательные модификаторы, наоборот, увеличивают noj
верхностное натяжение и скорость роста. Поэтому, согласно’
адсорбционному уравнению (11), они концентрируются в цент-
ре зародыша. При этом увеличение скорости роста ведет
к уменьшению числа самопроизвольных центров и к укрупне- j
нию структуры. I
Таким образом, модификаторы могут оказывать влияние
либо на количество зародышей, либо на скорость их роста,
соответственно увеличивая или уменьшая каждый из этих пара-
метров кристаллизации. Характер этого влияния зависит не
[только от природы модификатора, но ц от кристаллизующих-
ся фаз.
В качестве модификаторов для чугуна применяются много-
численные сплавы (Si — Са, Si — Са — Ti, Си — А1—Si.
Si—Al, Fe — Si и т. д.). Однако до сих по^ не установлено,
• действуют ли отдельные элементы этих сплавов как модифика-
торы, образующие поверхностно активные пленки, или как моди-
нфикаторы, образующие вынужденные зародыши. Вероятно имеет
место и то и другое влияние, причем советская школа ученых
t (Н. Т. Гудцов, П. А. Ребиндер, И. А. Андреев и др.) придает
j особенно большое значение относительному распределению эле-
k ментов на межфазовых поверхностях и в центре зерна.
Поверхностно активными (положительными! модификаторами служат,
по П. А. Ребикдеру, вещества с низкой температурой плавления и низкой
твердостью, т. е. элементы с небольшими порядковыми номерами по таб-
лице ’Менделеева. Наиболее активными элементами являются обычно щелоч-
ные и Щелочноземельные металлы. В чугуне в качестве таких модифика-
торов. вероятно, действуют кальций и сложные соединения (силикаты, тита-
ниты и др), образующие легкоплавкие эвтектики । и способные здеорбиро-
। Продувка титанистого чугуна СО/ приводит к образованию легкоплавкой
эвтектики (Ге —1120°) из силиката и титанита марганца, вследствие него
получается большое переохлаждение при кристаллизации и размельчение
графита. Такие легкоплавкие соединения очищают металл от тугоплавких
включений и замедляют кристаллизацию.
Теоретические основы
кристаллизации, чугуна
27
1ться на поверхности растущих криствля©8- Соединения простые и с высо-
>й температурой плавления (окислы, кароиаш, нитриды, сульЛиды) деб-
етуют, как вынужденные зародыши. Отрицательные модификаторы мало
дзучекы. Такую роль, по мнению П. Н» сиду л я, играют окислы железа.
Абсолютная величина линейной скорости роста кристаллов
может колебаться в значительных пределах, »ло в противопо-
ложность скорости самопроизвольного образования зародышей,
она оказывается при вторичном кристаллизации в несколько
сот и даже в тысячу раз меньше, чем при первичной кристал-
лизации. —-----------' :
Зависимость линейной скорости роста от переохлаждения
принципиально аналогична соответствующей кривой скорости |
образования самопроизвольных зародышей. С увеличением пе-|
реохлаждения /швейная скорость роста кристаллов сначала ।
увеличивается вследствие ускорения отвода тепла, а затем
уменьшается в результате увеличения вязкости растворам
и уменьшения скорости диффузии.
Как показала советская школа металловедов во главе
с Н. Т. Гудцовым, процесс кристаллизации происходит не не-
прерывно, а скачкообразно. Это связано, вероятно, со скопле-
нием ликватрв, газовых пузырей и других включений при кри-
фгйллизации и с соответствующим образованием зон по сече-
нию отливок.
г) Кинетика кристаллизации. Скорость процесса
самопроизвольной кристаллизации зависит от скорости заро-
ждения зародышей и их линейной скорости роста. Принимая
неизменными во времени величину параметров кристаллизации
v), автор определил время полной кристаллизации ( ти )
в общем виде:
_ 1_______k
_______” $_______’ (12)
]/ k, Nv А V Nv А
что впоследствии было подтверждено расчетами И. Л. Миркина.
Чем больше значение /V в и в особенности и, тем скорее
идет процесс кристаллизации и тем меньше время его завер-
шения (тк ). Общее количество кристаллов (А), образуемых
в течение всего процесса кристаллизации в единице объема,
соответствует числу возникших эффективных зародышей за
все время кристаллизации:
Л/= сД тк =; Л — I , (]3)
\ ! •’
где с ксэфиц'иелнт, учитывающий постепенное уменьшение
--------объема маточного раствора во время кристаллизации <
'-к отделяется формулой (12).
значение коэфициеита А зависит от точности расчета и формы кристал-
лов. Для шаровой форМЫ можно прикять д _0 9и
28
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
Средние размеры кристаллов обратно пропорциональны их
количеству:
N A \NV)
(U)
Таким образом, количество и величина кристаллов при са-
мопроизвольном процессе зависит от отношения I —-j . Раз-
мельчение структуры происходит в тем большей степени, чем
больше это отношение. Однако кроме самопроизвольных заро-
дышей в процессе кристаллизации принимают участие и вы-
нужденные (иг). Их число можно условно считать постоянным
в течение процесса кристаллизации. Дополнительно учитывая
влияние этих зародышей, можно определить суммарное число
кристаллов (кристаллитов):
/ N1 \’А
N = то 4- Д'
\ и' /
(15)
где Д', N„', v' являются функциями ш, так как с увеличением!
количества вынужденных зародышей переохлаждение уменье
шается (рис. (>). 1
Количество образующихся при этом кристаллитов тем боль-
шей структура тем мельче, чем больше значения ш и !~г. Од-
нако, как видно из оис. 6, количество самопроизвольных заро-
дышей Д^-у-1 падает с увеличением значения Поэтому,
е_з_авнс!| мости от условий кристаллизации, образование выну-
ждеиных зародышей может размельчать или, наоборот, укруп-
нять структуру чугуна.
’ At, - . .
Отношение — особенно велико при вторичной кристал-
V
лизации, что и приводит к получению высокоднсперсной струк-
туры. Первичная же структура характеризуется относительно
Д'
малыми значениями — и поэтому отличается меньшей дис-
персностью. Так, например, эвтектические зерна в чугуне
имеют размер от 0.2 до 5 мм и при соответствующем травле-
нии легко видны невооруженным глазом.
С изменением величины переохлаждения меняется и ту
jVy п <
или другую сторону отношение —. В большинстве случаев!
оно увеличивается с повышением переохлаждения, и структура
соответственно размельчается.
Теоретические основы кристаллизации чугуна
24
Скорость процесса первичной кристаллизации может быть
определена из формулы (1а):
ах = д = it
dx 2 I/ — 2Х •
(16}
При затвердевании металла выделяется большое количест-
во скрытой теплоты, причем скорость процесса целиком опре-
деляется условиями ее отвода- Процесс кристаллизации идет
последовательно от наружных теплоотводяших поверхностей
к центру и падает во времени. Исключение составляет только:
последний период затвердевания, когда, вследствие охлаждаю-
щего действия затвердевшей части отливки, константа затвер-<
девания остающейся небольшой массы жидкого металла увели-/
чивается и скорость кристаллизации повышается. ___/
В условиях ьвт2дячн;ой.-Жисталлизации зародыши образуют-
сяиТЗСТут во всем объеме отливки.
' "Изменение относительного количества закристаллизовав-
шейся фазы во времени определяются формулой:
SK=l-e-‘A’^ (17)
и графически изображается характерной S-образной кривой.
Скорость кристаллизации растет сначала медленно, затем
очень быстро, примерно до 50% закристаллизовавшейся фазы,
потом также быстро уменьшается и к концу процесса медлен-
но падает.
С понижением температуры общее время изотермической
кристаллизации ( тк ) уменьшается вследствие увеличения IV р,
но затем возрастает из-за уменьшения значения к. Этим
объясняется известный характер С- или S-образных кривых
изотермического распада аустенита при вторичной кристалли-
зации, представленных на нижней части рис. 7.
Как видно иг. рис. 7, существует температура (500—600°) ,ч
при которой распад ^-раствора происходит с максимальной г
скоростью- С дальнейшим понижением температуры устойчиД)
ВОСТЬ у-раствора повышается и время его распада сосхгветсТ-11
венно увеличивается. Скорость этого диффузионного процессам
зависит, конечно, не только от температуры, но и от наличия \
центров кристаллизации и других факторов, определяющих j
скорость диффузии. Поэтому процесс распада протекает 1
об_ме.Л1тозеРнистом чугуне быстрее, чем в крупнозернистом, что j
ооъясняется большим протяжением межфазовых границ, слу- J:
жащих центрами кристаллизации. ' I
^примерно такой же характер имеют кривые изотермической
Кристаллизации эвтектики (верхняя часть рис. 7). С повыше-
ем скорости охла>цдения (к3 > vs > v;) или с понижением
30
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
Рис. 7. Кривые изотермических
процессов эвтектического и эв-
тектоидного превращений в чу-
гуне
биды. Этим объясняются многие
сталлизации чугуна.
температуры превращения время кристаллизации сначала
уменьшается (первая ветвь кривой), затем увеличивается
(вторая ветвь кривой) и, наконец, вновь уменьшается, причем
в последнем случае вследствие большого переохлаждения
кряст'’ллизапия происходит уже по метастабильиой системе
с образованием цементитной
эвтектики.
С понижением температу-j
ры изотермического процесса
или с увеличением скорости^
охлаждения продукты расра- j
да постепенно размельчаютсяJ
вследствие увеличения числам
зародышей. \
Однако несмотря на уве-
личение общего количества1 за-
родышей, процессы кристал-
лизации не успевают иногда
полностью завершиться при по-
нижении температуры вслед-
ствие сильного уменьшения
линейной скорости роста.
В этих случаях, наряду с про-
дуктами обычного диффузион-
ного распада, в структуре ос-
та ются а устен ит и м артенсит
или наряду с графитом — кар-
важные факты из области кри-
2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ОСНОВНОЙ
МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАССЫ ЧУГУНА
Структурные составляющие чугуна, за исключением графи-
та и других включений, принято называть основной ме-
таллической массой. Кристаллизацию основной метал-
лической массы в чистом виде лучше всего рассматривать
на примере белого чугуна, так как в сером чугуне идет одно-
временно кристаллизация графита.
а) Первичная кристаллизация и макрострук-
тура чугуна. Первичная кристаллизация чугуна определяет
величину и форму ,его первичного зерна, а также толщину
ц состав межкристаллитной пленки. Первичная структура ос-
тается в чугуне, несмотря на последующую перекристаллизацию.
Первичная кристаллизация чугуна начинается с выделения
первичных кристаллов аустенита или высокоуглеродистых фаз.
Теоретические основы кристаллизации чугуна
31
количество которых зависит от состава чугуна и скорости
охлаждения. При этом аустенит кристаллизуется обычно в фор-
ме дендритов, а высокоуглеродистая фаза в форме разных
пластинок, Когда маточный раствор достигает определенного
состава, начинается эвтектическое превращение с образова-
нием сфероидов (глобулей), которые, постепенно разрастаясь,
смыкаются и заполняют все поле зрения на шлифе (рис. 8).
в г
Рис. 8. Образование первичной структуры в чугуне (X 1GJ?
ft — oCpaafQanMG первичных депдр^тзв аустенита (Y -раствора); б — псяплекие сфероидов
эвтектккн; в — дальнейшее разрастание сфероидов; г — смыкашю сфероидов эвтектики
и окончание церии 1ной кристалл» затопи
Таким образом первичная кристаллизация чугуна состоит
из' двух этапов, из которых каждый отличается своими особен-
ностями и, в частности, своей склонностью к переохлаждению.
Разные факторы, например перегрев чугуна, модифицирование,
переохлаждение, примеси и т. д., могут различно влиять на кри-
сталлизацию аустенита и эвтектики. Так, введение некоторых
модификаторов укрупняет дендриты у-раствора и выделения
графита и размельчает глобули эвтектики. При этом интерес-
но’ плг* кРисталлизац*[Я эвтектики происходит вне зависимости
от расположения дендритов у-раствора, так что один дендрит ,
может пересечь несколько эвтектических зерен пли, наоборот,
одном зерне могут расположиться несколько дендритов.
32 Кристаллизация и структурообразование в чугуне
Характеризуя первичное зерно чугуна, следует различать
первичное аустенитное зерно, образующееся при
кристаллизации первичной фазы, и литейное или эвтек-
тическое зерно, образующееся при кристаллизации эвтек-
тики. Однако н то и другое являются разными этапами одного
л того же процесса1 первичной кристаллизации и отличны от
зерна излома, которое обнаруживается при разрушении чугу-
на и проходит по наиболее слабым местам в сечении отливки.
Под микроскопом первичное аустенитное зерно чугуна лучше всего об-
наруживается включениями MnS, располагающимися по главной осн дендри-
тов, а эвтектическое (литейное) зерно — по сетке фоефидной эвтектики,
вследствие ее склонности к ликвации и низкой температуре плавления, что
приводит к расположению ее по границам эвтектических зерен. При этом
наилучшие результаты дают медные реактивы и азотная кислота для вы-
явления фоефидной эвтектики и сернистый отпечаток для выявления суль-
фидов. На одном и том же образце можно обнаружить дендритный харак-
тер первичной кристаллизации по сернистым отпечаткам и глобулярное^
строение — при глубоком травлении на фосфидную эвтектику (рис. 9).
Рис. 9. Первичная структура чугуна;
* — сернистый отпечаток (XIJ; б — травление азоткой кислоток после 4-часовой вы-
держки при GfOo (Х50); в — травление на фосфидпую э&1ектнку (X3J.
Выявление дендритной структуры в сером чугуне, как то показано в сов-
местной работе автора с Е. И. Литвиновой, возможно также после выдержки
в течение нескольких часов при температуре 670—700° с последующим тра-
влением шлифа в 4%-цом растворе азотной кислоты. При этой термической
обработке происходят распад карбидов и выделение графита по границам
дендритов. Этот способ имеет преимущество перед обычным сернистым отпе-
чатком, так как позволяет рассматривать структуру при некотором увели-
чеши! (рис. 9, б) и, кроме того, дает возможность од но врем eti.no выявить
дендриты аустенита и зерна эвтектики.
Наиболее характерной особенностью первичной кристал-
лизация чугуна является его последний этап — эвтектическое
превращение. Механизм его выяснен благодаря классической
работе А- А. Бочнара я развит в отношении чугуна К. П. Пу-
ниным и ДР- Ими установлено, что при соответствующем пе-
рс-охлаждении в эвтектическом расплаве образуются и сначала
Теоретические основы кристаллизации чугуна
33
порознь растут обе фазы, составляющие эвтектику. С точки
зрения изложенной выше теории образования самопроизволь-
ных зародышей одна фаза (у-раствор) образуется на базе обед-
ненных углеродом участков, другая (карбиды или графит)
на базе обогащенных участков. Только с момента соприкос-
новения кристаллов обеих фаз начинается эвтектическая кри-
сталлизация. При этом одна из фаз является ведущеи и соз-
дает скелет эвтектических зерен или колоний, в промежутке
которых отлагается вторая фаза.
Для образования тонкой эвтектической структуры необхо-
димо, чтобы скорость роста эвтектики превышала соответству-
ющие скорости роста первичных образований. Это условие
соблюдается не только в сплавах эвтектического состава, но
и при некоторых отступлениях от него, так как с увеличением
переохлаждения скорость роста эвтектики увеличивается
в большей степени, чем скорость первичных фаз. Поэтому
с увеличением скорости охлаждения расширяется область
сплавов с псевдоэвтектическим строением (структуры эвтекти-
ческого типа, по терминологии А. А. Бочвара).
При кристаллизации эвтектики в чугуне
ведущей фазой является обычно высокоугле-
родистая составляющая. Процесс кристаллизации
ледебурита начинается с выделения карбидов. Это имеет
своим следствием понижение концентрации углерода у фропта
кристаллизации и возникновение и рост зародышей аустенита.
Кристаллизация аустенита, в свою очередь, вызывает повыше-
ние концентрации углерода на межфазовой границе и создает
возможность дальнейшего роста кристаллов карбида- Таким
образом, одновременно растут обе составляющие эвтектики.
Из этого следует, что для получения тонкого эв-
тектического строения необходима достаточ-
но большая скорость охлаждения, чтобы диффузия
Не успевала выравнивать состав жидкого расплава у фронта
кристаллизации.
Эвтектическое строение образуется при сравнительно бы-
стром охлаждении и является продуктом кристаллизации
в условиях значительного переохлаждения. Наоборот, при
медленном охлаждении вместо эвтектики об-
разуется грубый конгломерат кристаллов вслед-
ствие того, что центров кристаллизации мало, а диффузия
успевает выравнивать состав у фронта кристаллизации. По-
этому фазы растут непрерывно, образуя грубое строение, со-
стоящее из аустенита 1 и карбидов (рис, 10). В этом случае,
иитя киты uL °РОМ ПрИ к°Рма-’1Ьн°й температуре (рис. 10) вместо аусте-
нита видны уже продукты (то распада (перлит).
3 Зшг. 805
34 Кристаллизация и структурообразованае в чугуне
при соответствующем составе чугуна (низком содержании
углерода), эвтектический аустенит может полностью кристал-
лизоваться на первичном, и эвтектика, как структурная со-
ставляющая, тогда вовсе отсутствует. Таким образом, в зави-
рис. 10. ’Микроструктура образцов разного диаметра из белого чугуна^Х100)
симости от скорости охлаждения и состава чугуна возможно
получение тех или иных структур.
Все это усложняется тем, что в реальных условиях всегда имеют место
переохлаждение при кристаллизации и соответствующие перемещения кри-
тических точек вправо и вниз (рис. 11).
При этом склонность системы к переохлаждению может быть различной
в зависимости от характера выделяющихся фаз. Например, при выделении
высокоуглсроднстых составля-
ющих чугуна жидкий раствор
более склонен к переохлажде-
нию, чем при выделении
раствора; при кристаллизации
графита склонность системы
к переохлаждению больше,
чем при кристаллизации кар-
бидов.
Из рис. 11 видно, что в
случае переохлаждения систе-
мы в процессе выделения 7-
раствора кристаллизация до-
эвтектического чугуна следует
по линии abb'e'd' с соответст-
вующим увеличением количе-
ства аустенита. При переохла-
ждении же системы в процес-
се выделения высокоуглеродпстон фазы процесс кристаллизации пойдет
по линии abeddi с выделением первичного аустенита по линии bed и пер-
вичного цементита или графита по линии <М'. Такая же картина наблю-
дается при переохлаждении заэитектического чугуна.
Таким образом, благодаря кристаллизации в условиях переохлаждения
возможно образование первичного аустенита в заэвтектнческом чугуне н пер-
вичного графита или карбидов в доэвтектическом чугуне. Этому могут спо-
собствовать и модификаторы, препятствуя образованию и росту какой-либо
эвтектической фазы.
11
Теоретические основы кристаллизации чугуна
О кинетике эвтектической кристаллизации чугуна и абсо-
лютной величине ее основных параметров дают представление
следующие литературные данные (табл. 1).
Таблица I
Влияние скорости охлаждения на параметры кристаллизации
эвтектики герчго чугуна_____________________________________
•жорость охла- ждения, *С1сек Число эвтекти- ческих колонн А на 1 глт1» Время полного эвтектического распада тН( Скорость 38- риждения за- родышей М-у Скорость ли- нейного роста в cnjces m1'- l/C.K3
0 33 10 1100 1,5 0 0028 0,6-10’
Гб 3800 60 1305 0,0009 42-10’
2,25 36000 30 20233 0,0007 182-10s
С увеличением скорости охлаждения скорость зарождения
самопроизвольных зародышей повышается. Скорость роста
кристаллов, наоборот, понижается с увеличением переохлажде-
ния, но, несмотря на это, время всего процесса кристалли-
зации уменьшается вследствие резкого увеличения значения
Nv> В итоге такого изменения параметров кристаллизации от-
ношение НЧ возрастает, и размеры эвтектических зерен
уменьшаются с повышением скорости охлаждения. Однако,
во всех случаях общее число зародышей, образующихся
в процессе первичной кристаллизации, сравнительно невелико,
как об этом можно судить по макроструктуре чугуна.
При достаточно большой скорости затвердевания (напри-
мер, при заливке в металлические формы) макроструктура
белого чугуна, как показывают литературные данные, состоит
из трех зон (рис. 12): 1) первый слой состоит из мелких беспо-
рядочно ориентированных кристаллов, 2) второй слой из —
крупных столбчатых кристаллов, 3) третий слой — из крупных
безразлично ориентированных кристаллов.
Мелкие кристаллы наружного слоя образуются вследствие большого пере-
охлаждения н большого отношения Имеет значение также шерохова-
сте1ЮК формы, выступы которой действуют, как вынужденные заро-
иягпГвЛ размельчг!1°г структуру прилегающего слоя металла. Вследствие
лпияк Я CTeH0K изложниц дальнейшее охлаждение несколько замедляется,
кпигтлллЯСе еЩе хаРактеРИзуется большим перепадом температур. При этом
кепапнл » идет ®ЫСТР° 11 ориентированно к тепловому потоку (перпеиди-
vnupm-iu » !* изложницы). Поэтому образуются столбчатые (шестоватые)
ентлДнятыг °0льтУю и™ меньшую глубину (транскристаллизация). Рост
ли 1атых кристаллов продолжается до тех пор. пока отвод тепла наружу
3*
36
Кристаллизация и структцрообразование л чугуне
поддерживает высокий температурный перепад внутри затвердевающей от-
ливки или пока кристаллы не встретят механическое или другое препятствие
к росту. Поэтому трапскристаллизаини способствуют большая скорость ох л а*
жденин, высокая температура заливки, низкая теплопроводность металла,
большая лилейная скорость роста кристаллов и отсутствие перемешивания.
По мере продвижения кристаллов к центру рост их замедляется вслед-
ствие выделения теплоты кристаллизации и уменьшения температурного пере-
пада. что приводит к безразличной ориентации равноосных кристаллов
в центре.
а
Рис. 12, 'Макроструктура
а —- в, легкая температура
б
белого чугуна, отлитого в изложницу:
здливюц б — низкая температуря залижи
В сером чугуне графит препятствует образованию шестова-
тых кристаллов, и соответствующие зоны в отливках наблюда-
ются редко. Однако, при быстром охлаждении и низком со-
держании углерода траискристаллизацни (лучистое строение)
ясно выявляется и в сеатом чугуне, резко понижая при этом
его механические свойства- При медленном охлаждении в пе-
сочных формах макроструктура получается более равномерной
По сечению, и указанные зоны не наблюдаются даже в отлив-
ках из белого чугуна.
Теоретические основы кристаллизации чугуна
37
ное твердение
Втор нчная_
урДщищистых.
отлагаЮГСИ1^
тический
'низм
В едуй$М7||й1$
б) Вторичная кристаллизация и микрострук-»
гура чугуна. Вторичная кристаллизация, или перекри*Л
(Сталлизаиия' чугуна ^ваТывает все процессы, протекающие f
в твердом состоянии#^ относятся: распад карбидов (гра-
фитизация) выделен®1 избыточного углерода из растворов при
понижений’ темпера^фЫ. эвтектоидное превращение и другие
кристаллцзационкьИ^пРоцессы в надкритическом и подкрити-
ческом пнтор0ала^коалесцепЦп?!- сфероидизация, дисперсион-
и Ш-Я-) •
<м*@таллиза11ия начинается с выдслсешя высоко-
жйГиз аустенита. Эти вторичные составляющие
на эвтектических. При переходе через кри-
наступает эвтектоидное превращение, меха-
принципиально не отличается от эвтектического.
§ и здесь обычно является высокоуглеродистая
_ (карбиды). Образование перлита обусловлено
те» "жр*- .йЙ^йвершенством диффузии, которое определяет обра-
Эвтектики. Растущая пластинка цементита вызывает
гЩргтЯАНке углеродом у-раствора и кристаллизацию феппита.
Ттщуиной формой перлита при распаде 7-раствора является
лйй&Рйнчатая. С понижением температуры эвтектоидного пре-
вфйшёиия происходит увеличение числа заподышей и линейной
скорости их роста. Однако, как показывают литературные дан-
ные, Лг„ растет при этом значительно быстрее, чем v (табл. 2).
Таблица 2
Влияние ' температуры на параметры кристаллизации перлита
Температура прекращения 700й 680° 650° 600°
JV„, 1/сл3 сем 2-10» 50-103 1000’103
V, см ice к 7-Ю-* 0,6-IG2 0,2’10~3
. 1/сж’ — — 178-1О3 3,4-10*
Поэтому с увеличением скорости охлаждения происходит
/Л1„ V/,
увеличение отношения I ~~ ) и соответствующее резмельченне
зерна перлита, а также уменьшение расстояния между его
оставляющими. В связи с этим образуются сор битная и три-
оетитная разновидности перлита (рис. 13).
38
Кристаллизация и стрцктцрообраэование а чугуне
ГОСТ 3443—46
йерспостн перлита
Подкласс перлита
Расстояние между по-
лосками цементита и
феррита, микрон
предусматривает
в чугуне:
8-П б-П
;>0,7 0,7—0,5
следующие градации дис-
4-П З-П 2-П
0,5-0,3 0,3—0,2 <0,2
в
г
Рис. 13. Микроструктура чугуна с перлитом разной дисперс-
ности (X 500);'
а — крупнопластнц'татвгй; б — среди епласггшчзтий: * — мелколластинчатый;
г ” сорбитообразн».гй
Так как зародыши образуются преимущественно на границах фаз, то
распад 7-раствора происходит тем быстрее, чем мельче зерно, Поатоиу-
чугул й>мздким__зерн1эм^менее склонен к переохлаждению и худее прока-
ливается^ Наоборот, крупнозернистым чугун характеризуется'" меньше!) ско-
ростью превращения и большей глубиной прокаливания, что иллюстри
руетси соответствующими С-образными кривыми (рис. 7).
Во всех случаях распад аустенита в чугуне ускоряется благодаря нали-
чию графита, который ухудшает прокалнваемость. Это объясняется тем, что
выделения графита служат центрами кристаллизации, вследствие чего умеиь
шлется глубина прокаливания я увеличивается критическая скорость закалки.
При больших скоростях охлаждения, а при изотермическом
процессе при температурах около 300—400°, образуются
игольчатые продукты распада (игольчатый троостит) с обосо-
Теоретические основы кристаллизации чугуна
39
бившимися выделениями феррита (рис- 14й)- Редушен фазой
в этом случае, как некоторые считают, является уже феррит,
а не карбиды
При еще больших скоростях охлаждения (закалка в воде)
или при наличии других факторов, резко замедляющих про-
цессы превращения, наступает скачкообразное образование
а б в
р»С. 14. Микроструктура чугуна с возрастающим содержанием никеля (Х500):
— нгояьчггый троостт; в — мартенсит; м — аустенит*
мартенсита без диффузионного выделения углерода из рас-
твора. Соответствующая структура чугуна показана на рис. 146.
Критический интервал образования мартенсита (Мн—Л4К)
понижается С увеличением содержания углерода в аустените
Й при Достаточно высокой температуре закалки располагается
в пределах от 200° до температуры ниже нуля, но от скорости
охлаждения не зависит, так как мартенситное превращение
СЙйо происходит с очень большой скоростью. Параллельно
С образованием мартенсита в структуре часто сохраняется
остаточный аустенит (рис. 14н), относительное количество ко-
торого достигает 75—80% при достаточно низких температу-
рах превращения. ^аким^образом, в чугу невозможна-иойуче-
Яйе такихже^структур основной металлической массы, как
й 'ВГСТали^
11рй достаточной выдержке структурные составляющие
стремятся к наиболее устойчивому состоянию, в частности
*5^ННЦ1Мйльной порЁрхностдрй энергии. Процессами, обеспечи-
вающими досТИ5кение такого' структурного равновесия путем
выделения, укрупнения или округления структурных составля-
ющих, являются дисперсионное твердение, коалес-
ценция и сфероидизация.
..Процесс коалесценции основан на ратной растворимости мелких
крупных кристаллов. Эта раздана в растворимости обусловли в agKa.. р.а 3-
oj величиной поверкцоЭгттоТГ'’энергии” криста’ллов.’Чем"мельче-”кристаллы.
40
Кристаллизация и стррктурообразование в чцгдне
тем больше соответствующая равновесная концентрация,
из уравнения (18) в применении К растворам.
Сл _ 2Мя_ /J_______1 \
1,1 С,\ Ъ >\ / '
как это следует
(18)
где и С3—концентрации раствора в равновесии е кристаллами ра-
диусами г, и Та;
М___молекулярный вес растворенного вещества,
___поверхностное натяжение между раствором и кристаллами;
d — плотность кристаллов.
Поэтому раствор является ненасыщенным по отношению к мелким кри-
сталлам и пересыщенным по отношению к крупным, вследствие чего мелкие
i/кристаллы растворяются, а крупные, наоборот, растут за счет кристаллиза-
/ пни из раствора. Этот процесс укрупнения кристаллов часто наблюдается
чугуне в отношении цементита и графита и протекает с тем большей ско-
ростью, чем выше температура.
1] Процесс 1тии основан на стремлении уменьшить поверхностную
|1энерУйкУ кристалла без изменения его объема. Идеальной формой Для изо-
"-гропного тела с этой точки зрения является шар, а для анизотропного
тела — равновесная форма с минимальной суммой поверхностной энергии
на всех гранях кристалла при данном объеме.
Механизм процесса сфероидизацип^ацалогаде.н коалесцендац. Выстулаю-
щие’ТГ'Ъстрые част1Г”вЕделёнйй карбидов и графита,' характеризующиеся
(высоким значением поверхностной энергии, растворяются, а плоские грани
соответственно растут, вследствие чего и происходит сфероидизация. Однако,
сфероидизация структурных составляющих чугуна приводит по существу
к образованна многогранников, а не шаров, так как процесс этот протекает
с анизотропными телами (кристаллами). Характерным примером этого про-
цесса является пц^учевде зернистого перлита в криком чу.гунр J.PUC, ,1.5).
Процесс сФероидйзаиин эвтектоидных карбидов происходит при опредс-
1ленцрЬ ^ьртержке' чугуна “'в подкритнческом интервале — тем скорее, чем
(выше температура н чем менее однороден по составу твердый раствор. Для
(ускорения процесса целесообразен предварительный переход через крити-
• Ческий .интервал с последующей выдержкой при температуре ниже кри-
|1ти ческой. дени а- Процесса сфероидизации возможно та^же путем много-
•' *Ш1яЫХ_ДЙ^аннй темпер ату ры.во круг’ критического и нтср в а да^ - ' это м
.[случае процесс ускоряется за счет быстрого растворения"' острых граней
(Карбидов в надкритическом интервале и соответствующей кристаллизации
'«а плоских гранях в подкритической области.
«I На практике обычно сосуществуют процессы коалесценции и сферонди-
(дации. Что может быть названо коагуляцией.
\ Что касается дисперсионного твердения, то оно представляет
собой процесс перехода к физико-химическому равновесию путем обособле-
ния фаз из пересыщенного «-раствора.
Такой процесс возможен в случае заметного уменьшения концентрации
раствора с падением Температуры в подкритнческом интервале. Указанная
зависимость Существует для большинства элементов (С, Р. Си, В, Мп, Ti.
Мо и т. д.)_ Наибольшее практическое значение в этом отношении имеют
углерод и медь, концентрация которых в «-растворе меняется следующим
образом с падением температуры:
Растворимость углерода Растворимость меди
при 7’.Юв . . . . О.С/, % При ЯЯЛ’ . , . 1,4 %
Ирк Тею0 . . .о.гц °; пои [/«.". , .н.33%
Hojtomv прн достаточно быстром охлаждении образуется Пересы шейный
«-раствор. При последующей выдержке, гтры температуре ниже резкого па.
дсния растнорпмостп (~ 500°), сначала собирается в растворе, а затем •
Теоретические основы кристаллизации чугуна
41
Рис. 15. Микроструктура ковкого чугуна
с зернистым перлитом (X 500)
выделяется избыточная фаза в весьма дисперсном состоянии, что повышает
твердость п некоторые другие свойства металла, но понижает обычно его
ударную вязкость.
Особый интерес представляет иногда выделение в чугуне
дисперсных фаз (карбидов, фосфидов и др.) по границам зе-
рен. Эго вызывает при ,,
термической обработке
ковкого чугуна явление
«белого излома» и сопут- ’* -A? УУ w,-.,
Фтвующёё ёму~резкое по-
нижение ударной вязко-
сти без соответствующе-
го понижения статических
свойств.
В сером чугуне про-
цессы дисперсионного
твердения, обусловлен-
ные выделением карби-
дов из пересыщенного
юе не
вннтелы
но малое значение имеет
также дисперсионное
твердение медистого се-
рого чугуна (1,5—2п/о
Си), что обусловлено его
перлитной структурой (отсутствием упрочняющегося свободно-
го феррита). В ферритном же ковком чугуне медь может быть
использована так же, как и в низкоуглеродистой стали, для
целей дисперсионного твердения.
а-раствора, вот
наблюдаются. Сра
3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ГРАФИТА (ГРАФИТИЗАЦИЯ)
Под графитизацией понимают процесс кристаллиза-
ции графита, независимо от того, происходит ли он непосредст-
венно при затвердевании и охлаждении чугуна в форме или
при последующем отжиге в твердом состоянии. Первый процесс
характерен для отливок из серого чугуна, второй, главным обра-
зом, для ковкого чугуна и отчасти для серого чугуна, когда он
подвергается термической обработке. Графитизация подчиняется
общим законам кристаллизации и формирует структуру чугуна
как в процессе первичной, так и вторичной кристаллизации. По-
этому она оказывает решающее влияние на все свойства чу-
гуна-
12
Кристаллизация а. структурообразование в чугуне
Несмотря на многочисленные работы и исследования, по-
священные графитизации, в технической литературе сущест-
вует ио этому поводу много противоречий. Противоречия эти
вызваны, в значительной мере, тем, что для решения вопроса
о механизме процесса до сих пор привлекались термодинами-
ческие представления (диаграммы состояния).
Выяснению истины препятствовали также неправильные
расчеты и исследования, пытавшиеся установить стабильность
цементита в некоторых интервалах температур.
Советские ученые и специалисты, развивая плодотворные
идеи А. А. Байкова и Н. Т. Гудцова, много сделали для разъяс-
нения этого сложного вопроса. На основе этих работ, исполь-
зуя кинетические представления, в настоящее время можно
уже предложить правильную теорию графитизации.
а) Существующие теории графитизации и их
расхождения. Главным пунктом расхождении в сущест-
вующих теориях графитизации является вопрос о .возможности
непосредственной кристаллизации графита из раствора (твер-
дого или жидкого). Можно представить себе два пути графи-
тиза'ции чугуна: 1) непосредственная кр'исталлл-
з а ц и я графита из раствора и 2) образование
графита путем распада предварительно выде-
лившихся карбидов.
Одна теория (К. П. Бунин, Г. Н. Троицкий, И. Н. Богачев,
В. Ф, Зубарев и др.) признает возможность обоих путей графи-
тизации.
I. Раствор (С)“—^Раствор (С')+Сгр, (19)
п ^Раствор ^Раствор (C’j-i-FejC, (20)
( FesC (С)^Раствор (C')+Crp, (21)
где (С), (С') и (С")—концентрации углерода в растворах,
Сгр — графит.
Вторая теория, последователями которой являются
М. Г. Окнов, А. Ф. Ланда, К- И. Ващенко, К. А. Еремин и др.,
признает только второй путь графитизации. При этом
М. Г. Окнов и А, Ф. Ланда считают _ время существования
предварительно выделившихся карбидов весьма небольшим,
так что по их представлениям карбиды распадаются даже
в момент своего выделения.
Из реакций (19), (20) и (21) видно, что оба пути графити-
зации в конечном счете приводят к одним и тем же резуль-
татам, но различаются по механизму процесса.
Для решения вопроса обе указанные школы часто пользовались диа-
граммой состояния. Сторонники теории непосредственной крметаллнзавии
графита из растпора доказывали реальное Существование стабильной си-
стемы (Fe—С Г|) и видели в этом подтверждение возможности прямого виде-
life
J
Теоретические основы, кристаллизации ч;let/na 43
Рис. 16. Графит, образованный путем непо-
средственного распада карбидов (X 100)
Ленин графита из раствора. Сторонники же другой теории, наоборот, отри-
иалтг существование этой системы, признавали диаграмму состояния только
с одиночными линтеямн Нс—ГеэС и на этом основании утверждали, что гра-
фит является всегда продуктом распада карбидов. Однако, по диаграмме
состояния нельзя, конечно, судить о механизме процесса, Наличие
линий Fe—С гр, располагаю-
щихся на двойной диаграмме
состояния выше и левее ли-
ний Fc—Fc3C, говорит толь-
ко о том. что графит является
более Стабильной формой
углерода, чем цементит, но
ничего не может сказать о
механизме процесса графита -
эации. Поэтому подобные спо-
ры не приводили ни к каким
результатам.
Самый распад карби-
дов, который никем не
может быть опровергнут
и наглядно подтверж-
дается при отжиге бе-
лого чугуна, можно пред-
ставить протекающим:
1) непосредствен-
но, 2) через твер-
дый раствор, 3) че-
рез газовую фазу.
Непосредственный распад карбидов предполагает, что обра-1
чующийся в результате реакции (21 )графит остается «на месте»,!
вернее диффундирует в пределах элементарной решетки. В этом]
случае графит должен соответствовать по^форме^тем ^ыделени-!
ЯМ карбидов, йз^'"котоБШ~ой получился," как’Гэто "’видно на}
рис. 16. ""
Однако, такое соответствие наблюдается редко, В большин-
стве случаев графит при графитизации белого чугуна в твердом
чаете я в в иде более или менее .ркрудденных
'по форме от каЖидов, которые под-
верглись распаду. .Кроме " того, "в случае непосредственного»
распада карбидов и образования графита «на месте» объем'
его, а следовательно и площадь, занимаемая на шлифе, должны:
были бы соответствовать объему и площади, занимаемым исход-1
иыми карбидами (рис. 16). В этом случае площадь, занимаемая I
1% графита, составила бы 15% от общей площади шлифа, в то
время как в действительности она составляет только 3—5%т~/.
Эти соображения явилась причиной создания теории распа-
да карбидов через твердый раствор развитой С. А. Салтыко-
вым, Шварцем и др.
44 Кристаллизация и структурообразование а чугуне
Механизм графитизации по этой теории состоит в следую-
щем. Как видно из рис. I, метастабнльпыс линии (например ES)
располагаются правее стабильных (E'S'); поэтому им соответст-
вуют большие концентрации углерода t( , как это
показано на рис. 17. Аустенит метает аб ильного состава является А
пересыщенным по отноше- 1
нию к стабильной фазе, н"
из него выделяется избы-:
точный углерод, кристаллн-1
зующийся на имеющихся1
в чугуне зародышах. В свя-
зи с происходящим при !
этом понижением кенцен-
грации 7-раствора вокруг '
выделений углерода отжи- у
га, содержание углерода'
в 7-растворе становится'
неравномерным. Вследст-
вие этого углерод диффун-
дирует от мест повышен-
ной концентрации (Сга),
где аустенит соприкасает-
ся с карбидами, к местам :
пониженной концентрации 1
(Сг- 5-), где раствор сопри-
касается с образованным
углеродом отжига. Благо-
даря этой диффузии угле-
рода, концентрация его
в а'устейите метастабиль-
иой части сплава становит-
ся меньше равновесной
(по отношению к ЕЗ,
рис. 1) и часть структурно-'
свободных карбидов пере^
ходит в раствор. В резуль-
тате процесса диффузии
—--------------------------->.
Рнс. 17. Схема графитизации карбидов
через твердый раствор
повышается концентрация углерода в аустените стабильной
части сплава. Вследствие этого углерод вновь кристаллизуется
цз раствора вокруг выделении углерода отжига, увеличивая их
размеры. 1аким путем графитизация' продолжается непрерывно,
пока имею гея в наличии структур по-свободныс карбиды.
Анализ этого процесса показывает, что он состоит из чоты-Ч\
(?ех элементарных последовательных процессов: диссоциации '
карбидов; б; растворения карбидов в твердом растворе: в) диф-
фузии углерода от мест повышенной концентрации (сопрпка-
Теоретические основы кристаллизации чугуна
45
сающихся с карбидами) к местам пониженной концентрации
(соседние с углеродом отжига); г) кристаллизации углерода у
зародышей. При этом диссоциация карбидов, являющаяся |
неотъемлемым этапом процессатра^итизации через ^твердый
раствор, происходит в. момент растворения карбидов.
Процесс графитизации может происходить как в надкрити-
ческом, так и в подкритическом интервалах, но механизм про-
цесса при этом остается неизменным, только диффузия соответ-
ственно протекает через у- или я -растворы. В обоих случаях
описанный процесс хорошо объясняет образование округленных
выделений углерода отжига взамен пластин карбидов.
Общий результат графитизации через твердый раствор ана-
логичен непосредственному распаду карбидов и сводится к уве-
личению количества аустенита и графита, как это видно из 'сле-
дующего сопоставления.
I теория (графитизация путем непосредственного распада
карбидов): Fe3C = твердый раствор (а) + С гр.
11 теории (графитизация через твердый раствор)?
1) твердый раствор (Л) = ненасыщенный раствор (Б) -ф СгР.
2) ненасыщенный раствор (В) + Fe3C = твердый раствор (Л()
Итого; Fe3C = твердый раствор (,4, — А) т Сгр.
При этом количество твердого раствора, образующегося в
результате распада карбидов, в обоих случаях одинаково
(Л] — А =а). __
К тем же результатам приводит и третья теория распада
карбидов — через газовую фазу. Согласно этой теории процесс
графитизации протекает благодаря каталитическому действию
газов по следующей схеме:
1) 2Си^СГр + СОг (22)
— 2) 3Fe +2СО Ре3С 4- СОч (23)
Fe3 С —ЗЕе Д Сгр
(24)'
Опыты^доказали^ что в присутствии С Ог_ графитизация дей-*
ствиТЙьно ускоряется. В то же время ' в атмосфере Н2, СНщ
NH3, N3 и в вакууме скорость графитизации не изменяется илй
даже замедляется. Поэтому можно считать, что газовая атмос*
фера, состоящая из СО и СО-, окдзываех. благоприятное влия-
ние на процесс графщшздщщ. Это теоретически согласуется с
!СТЗующими диаграммами равновесия между газовой
фазой (СО, СО2) и свободным и связанным углеродом (рис. 18).
Кривее равновесия СО и СОа с графитом (/) и карбидами. (2)
^ej^IT £!!££Рамму на три области, характеризующиеся тем или
распада ™рбндоа может быть представлен в виде реакций
(21 и 24). Реакции {34) является промежуточной, так как образующееся
Железо ге (а, Д) должно растворить Углерод и превратиться в тпердмп
раствор, что в конечном итоге приведет к реакции (21).
46 Кристаллизация и структурообразование в чугуне
иным направлением реакций (22) и (23). Рассматривая, напри-
мер, область // диаграммы, можно видеть, что концентрация СО
в газах здесь больше равновесной по отношению к графиту,
но меньше того, что необходимо для равновесия с карбидами.
Поэтому обе реакции долж-
ны протекать направо, так
как это направление прибли-
жает системы к равновесию.
В итоге такого течения реа'к-
Тенпература, °C
Рис. 18. Диаграмма равновесия ме-
жду СО. СО5, С (кривая /) и СО,
СО?, Fe3C (кривая 2).
ций (22) и (23) возникает
графитизация (24). Подоб-
ными же рассуждениями лег-
ко доказать, что газы в об-
ластях I и II! не способст-
вуют графитизации.
Однако, роль газовой сре-
ды и, следовательно, значе-
ние всей теории графитиза
ции через газовую фазу, весь-
ма ограничена, так как по-
добным образом процесс может протекать только в месте со-
прикосновения с газами (главным образом, на поверхности от-
ливок или на глубине проникновения газов).
, j Как указано, все теории практически приводят к одаим
' (тем же результатам: к увеличению количества твердого раство-i
I ра и образованню свободного углерода Однако"' знание истинно-
„ чПЕГпуйц" по "которому идёт распад карбидов, имеет не только
теоретическое, но и практическое значение. Оно дает возмож-
ность правильно определять условия графитизации и созиа-
’ • тельпо влиять на форму кристаллизующегося графита.
б) Термодинамика графитизации, С помощью
термодинамического анализа можно только определить, в какую
сторону пойдет реакция графитизации (какая форма углерода
является более устойчивой, стабильной), но нельзя предсказать,
пойдет ли реакция с практически заметной скоростью. Поэтому
следует различать термодинамическую и практиче-
скую устойчивость Fe:iC. Действительно, скорость распа-
да цементита (карбидов) при нормальной температуре может
быть ничтожно мала и близка к нулю, как об этом свидетельст-
вуют древние отливки, в которых в течение многих столетий
сохранились без распада эвтектоидные карбиды. В то же время
цементит термодинамически неустойчив в этих условиях. Об
этом можно судить по знаку изменения свободной энергии (Д£К
или термодинамического потенциала (: Ф) системы:
Fe3 С = 3Fe + С— А 7-’(А $), (24а)
Теоретические основы кристаллизации чугуна
47
Определение изменения стандартной величины свобод;юн энергии реакции
графитизапнп возможно:
а) По тепловому эффекту и энтропии:
Л 7F9Sа Н —т 4 3'> <2'Г))
где Д/7 — тепловой эффект реакции, значение которого колеблется обычно
у разных исследователей в пределах 3500—7000 кал/моль.
Д5 — изменение энтропии системы при графитизации, например, при
нормальной температуре
ASls, = 53Fe + Se - SFCiC = 3 • 6,5 + 1,4 - 23,9 = 3 кал/моль°С-
б) По константам равновесия реакции (24) или соответствующих исход-
ных реакций (22) и (23).
= — кт ,п К = ~Г<Т 1П Т1 (2е)
Кг»
где К, и К, — соответствующие константы реакций (22) и (23).
в) По равновесным концентрациям твердого раствор?:
4FaJa = — /<Т In = — RT In ~~ = kT In , (27)
298 К1 CE'S'
где С£5 и CEiS, — соответствующие концентрации углерода согласно ли-
ниям £S и Е' S' (рис. 1).
При всех методах расчета получается, что изменение стан-
дартной величины свободной энергии реакций (21) и (24) яв-
ляется отрицательной величиной <Р). н цементит, сле-
довательно, термодинамически неустойчив при""нормальной тем-
пературе. Точно так же он термодинамически неустойчив и при
повышенных температурах,.
Изменение с вободно й энергии с. . температурой определяют, исходя
из соответствуВЩИХ ЯЗМёйенийтёпло ем костей и энтропий Fe^C, 3Fe и С:
Т~
Расчеты показывают, что термодинамическая неустойчивость цементита
уменьшается с температурой (ЛТ/ увеличиваете::). Поэтому можно было
бы предположить, что наступает температура, когда:
= ^3Fe + FC, Т' °’ 4 F°T " °-
С этого момента цементит стал бы стабильным. В литературе встреча-
ются расчеты, определяющие эту температуру от 400 до 1200°. Однако, эти
тчпяЛЬТакЫ зависят от выбранного значения ДЯз'и. Так, например, темпера-
тура стабилизации цементита оказывается, согласно расчетным данным.
1 В термодинамическом смысле тепловой эффект реакции отрицателен,
так как система выделяет тепло. Поэтому изменение свободной энергии при
копп аЛ^темп.еРатУРв определится по формуле (25), принимая Д// =
5800 кал/моль, ДГ «—5800 + 298,3 =—4906 кал/моль, т. е цементит тер-
модинамически неустойчив.
48
Кристаллизация и стррктурообразование а чугуне
равной 407е при А/7гм = 32ОО кал/моль и возрастает до 509° при ,1^8» =
— 5800 кал/миль. Последнее значение следует считать более правильным.
Однако, если принять во внимание образование твердого раствора согласно
реакции (21) н рассчитать, следовательно, величину изменения реальной
свободной энергии (^Кт) т то цементит становится уже по расчету термоди-
намически неустойчивым при любой температуре в твердом состоянии. Это
объясняется тем, что, вследствие понижения концентрации железа в рас-
творе, происходит дополнительное уменьшение свободной энергии.
Термодинамическая неустойчивость Fe,?C при повышенных
температурах в твердом и даже в жидком состояниях под-
тверждается относительным расположением кривых 1 и 2 на
рис. 18 и линий ES и E'S', а также CD и C’D' на рис. 1,
Из рис. 18 видно, что концентрация СОЙ в газах в равнове-
сии с графитом (кривая /) выше, чем с цементитом (кривая 2)
во всем температурном интервале. Это значит, что Ki>K?’ и,
следовательно, ДТг—величина отрицательная, т. е. карбид же-
леза неустойчив в твердом состоянии. То же вытекает из рис. 1
вследствие того, что при ласбой температуре
CftS > S' 11 С С D > СС1 в,.
Следовательно, согласно формуле (27), ДГ?<0 при всех тем-
пературах.
Поэтому встречающиеся иногда в литературе
утверждения о существовании области темпера-
тур стабильности цементита следует считать
неправильными, так как он термодинамически неустойчив
во всем доступном для исследования' интервале температур. Это;
подтверждается также практической неустойчивостью цементита
даже при очень низкой концентрации углерода в сплаве (0,03%)
в при очень низком содержании кремния.
Практика производства ковкого чугуна с несомненностью '
убеждает в практической неустойчивости карбидной фазы обыч-
ного белого чугуна в большом интервале температур в подкри-л
тической и надкритической областях. Точно так же выделяюш^^Ь;
ся из_2щщдого чугуна в известных условиях спель является доф
казатедьством неустойчивости карбидбй в области жидких рас-1
творов, “ *•
С понижением температуры практическая устойчивость кар-
бидов, в противоположность термодинамической, увеличи-
вается, и скорость реакции понижается. Все же многочислен-
ные исследования доказали, что карбиды железа распадаются
при температурах ,много ниже критической. Таким образом, из
двух возможных состояний углерода графит является
i Константы реакций (22) н (23) определяются К = .
[СО |г
Теоретические основы кристаллизации чугуна
49
более устойчивой формой во всем расследован-
ном ийтсрвале температур*
"-ГТрЯ oiit пФ' величины изменений термодинамического потен-
циала при графитизации следует учитывать еще работу, произ-
водимую системой, и поверхностные явления.
Изменение объема при графитизации может быть рассчитано
следующим образом. Принимая удельные объемы цементита
0,1304, железа — 0,1270, графита —0,4444 см3/г и соответству-
ющие молекулярные веса —179,5, 167,5 и 12,0, легко теоретиче-
ски найти приращение объема при распаде грамм-молекулы це-
ментита:
ДИ ______ 167,5 • 0,1270 + 12,0 0,4444—179,5 0,1304 jqq __ (3 6%
V ‘ 179,5-0,1304 -
или на 1,0% образованного графита:
Ж -юо) =
\ V /1%с 6,67
а значит:
• 1001„г = — -2 = 0,67%.
Чем больше сопротивление среды, тем больше возникающее/
давление'на карбиды ('%ж). Согласно принципу Вант-Гоффа—!
^Цагедае, .^жатае^предлтствуетд'рафлщщгищи, вдуще'й с удкдц- j
рением объема. С другой стороны, в карбидах могут также j
‘овфазовй+Еся напряжения обратного знака, например, при быст-1
ром охлаждении. В этом случае превращение у - а, происхо-i
дящее с увеличением объема протекает при пониженных тем- ।
пературах в области упругих деформаций и вызывает некоторое
растяжение пластинок карбидов. ____i
Эти растягивающие напряжения (’₽„,} тем больше, чем быст-
рее охлаждение, так как при этом понижается температура
превращения, увеличивается, следовательно, модуль упругости и
уменьшается .возможность образ'Ованн'яТГластйческих .деформа-
Т5"о6щем итоге совместного действия сжимающих
«"растягивающих (зрtCT) напряжений величина и знак их опреде-
ляются разностью (а .,|(—зр „ ). Таким образом, внешняя работа
графитизации, при соответствующем увеличении объема (ДЮ,
составит: (%, — °р:,С[.) AV, Следовательно, изменение термо-
динамического потенциала определится:
дф = -^г + (%.к-^то)' (29)
СТ мепыце и и е упородной энергии при соответствующей
т^мпературс'7'.
* объема при превращен™ у -* с а чугуне при концентрации
углерода “ Твердой растворе около 0,8% составляет примерно [%, слепа-
вательно Д/^ ИДИ« о,з% , р
4 Зак. 805
50
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
Изменение поверхностной энергии при графитизации опреде-
ляется, главным образом, соответствующим уменьшением по-
верхности раздела фаз: ,
(30)
где дЛ—изменение поверхностной энергии при графитизации;
SFt|C —поверхность карбидов;
'з___поверхностное натяжение на разделе фаз;
к __ коэфициент. учитывающий изменение поверхности
раздела фаз при графитизации.
Значение коэфициента к в формуле (30) может быть определено следую-
щим образом. Пусть при распаде карбида радиуса Я образуется выделение
графита радиуса г. Принимая в обычных условиях, что при графитизации
карбидов по формуле (21) выделяется 5,5% графита (1,2% С остается
в I--растворе) и учитывая, что отношение удельных весов обеих составляю-
щих равно 3,3, можно примерно определить.
г» =6,055-3,3 А-= 0,18 А3, (31)
откуда г = 0,55 R. (31а)
Соответствующее изменение поверхностной энергии системы определится
разностью между величинами поверх костной энергии карбида и графита:
&F = з С 4 г. А- — сс 4 к (0,53 А)2,
Пренебрегая, с целью упрощения, разницей в величине поверхностного
натяжения системы ^-раствор — карбид (щуд;) и 1-раствор — графит ( ас^
получим
ЛД = а 4 л [А1 -(0,55/?)=] =0,7 • 4пА!г. (32)
fl Тадамлобрадом^ поверхность раздела фаз при графитцзацва.всегда резко
I I уменьшается (при шпротой Фоп м е к‘> об й до в па 70 %),~ 3 на че ние-коэ Фнниепта к _
1 ( йрн 5том составляет,'Длё'доватсльяо," 0,7. в случае жТГТюлеесложной и раз-
витой поверхности значение этого коэфициента еще больше увеличивается
и приближается к 1,0 (0,7 < к < 1,0):
Полное изменение термодинамического потенциала системы
при графитизации определяется формулой:
ДФГ = i-Fj, -р (3(-ж °раст) AV7 ^'^Fc.o3‘ (33)
Вероятность распада, при прочих равных условиях, будет
поэтому больше у выступающих острых частей карбидов, харак-
теризующихся относительно большой поверхностью (Sre,c). Эта
вероятность особенно возрастает при наличии растягивающих
напряжений, что экспериментально доказано Л, F.. Брюхановым.
Такие напряжения легко об, азуются в карбидах при закалке и
при выделении и накапливании водорода в местах нарушения
сплошности металла.
К в) Кинетика графитизации. В противоположность
! 'статике и химической термодинамике, определяющим направле-
ние реакции и ее конечное состояние вне зависимости от путей
Теоретические основы кристаллизации чугуна
его достижения, кинетика графитизации может дать представле-
ние о механизме процесса. Поэтому изучение ее имеет большое
практическое и теоретическое значение.
При анализе кинетики графитизации необходимо раздельно
рассматривать два различных по своей природе процесса; а) не-
посредственный распад
карбидов, б) распад
карбидов через рас-
твор (жидкий, твер-
дый).
Непосредствеп-
н ы й распад кар-
бидов является ре-
зультатом одного толь-
Рис. 19. Кинетика диссоциации карбидов;
а — по дзшпох Клейна; б — по данным Незера.
ко процесса диссоциа-
ции.
В литературе широко распространено мнение, что процесс, этот предста-
вляет реакцию первого порядка, скорость которой прямо пропорциональна
содержанию связанного углерода. Из указанного следует, пто скорость гра-
фитизации в этом случае падает во времени:
—= fit.св = Л (С — Grp)- (34)
Интегрируя последнее выражение, получим:
. С
С(т — С (1 —е *’) или Ат —- In —-—— , (34а)
С — С. гр
где С — общее содержание углерода карбидов до начала графитизации;
С гр—-количество выделенного графита в момент--.
Таким образом, в полулогарифмических координатах эта зависимость
должна выражаться прямой линией, что не всегда, однако, подтверждается
экспериментально (рис. 19).
Скорость этого процесса понижается во времени, но вначале
при сравнительно небольшой величине С,р она может быть при-
нята за постоянную величину, как при реакции нулевого по-
рядка :
— = con=t или Сгр = Ат 4- С?р, (35)
где С,р количество графита, выделенного в момент т;
С гр — начальное содержание графита.
Принимая С° равным нулю, получим:
СГр = Ат. (Збч)
и Д и ф ф у з и о и н 0 м распаде карбидов через раствор
имеют место четыре элементарных процесса, совокупность ко-
торых составляет процесс графитизации в целом (диссоциация,
растворение, ДиффуЗИЯ н кристаллизация). Каждый из этих
4*
52
Л*ристаллмзвция и сгрукгурообразование в чугуне
процессов, будучи независимым, мог бы иметь в данных услови-
ях с в о ю скорость, отличную ОТ скорости других элементарных
процессов:
V, >Vt>V3 >Vt,
можно, путем сопбстйвлёНй я кинетических кривых' каждого из (
контролирую щ й м ' "п роце с со м,-
Однако, в условиях У£ГЭД?Б 11 вшегося процесса все элементар-
ные реакции имеют од.н.у^й ту же скорость соответственно то->
му процессу, который в данных условиях характер из уётся"‘^аи/
медщ^1^дардстьа.^(У.^) - Этот контролирующий процесс за-)
держи вает течение остальных элементарных процессов И ВУёГо\
процесса графитизации».. Поэтому скорости всех элементарных Г
процессов становятся одинаковыми и равнымгГ скорости контро-)
дарующего'г в данный момент процесса. Определение его воз-1
можно, путем''"сопбстйвлёНйя кинетических кривых' каждого из I
четырех элемеду'арных процессов и всего процесса графитизации '
в целом. При этом контролирую Щ й"м пр о це с со м(-
аз кажды й м о мент времени будет тот элемента p-Vj
яый процесс, характер кинетической
торого окажется однотипен с
цесса графитизации.
Скорость процесса диссоциации, как одного из
процессов графитизации, идущей диффузионным
кривой К Of f
кривой всего пр
i
элементарных
путем, анало-
гична скорости непосредственного распада и, следовательно, по-
нижается во времени, но в начальный периой, может быть при-
нята за постоянную величину, согласно формуле (35). Поэтому
кинетицеская ^ивая диссоциации и в этом случае (диф.фузион-
ныйпроцесс чере^ оаств6р)"'""преДс’гавляется ниспадающей до
времени кривой», начальный участок которой близок к прямой
Такой же, но еще более круто.ниспадающей кривой изсбра-
жается,дщнЯЯКУ'рфбцёсса растворения.' Этот процесс связан с
иабыщением поверхностного субмикроскопического слоя и про-
исходит сравнительно быстро. При этом скорость процесса,
определяемая количеством растворяющегося углерода, пропор-
циональна поверхности соприкасающихся фаз, а следовательно,
и количеству карбидов: ____
^5- = k Vc7r - k /С=Сгр’, (36)
1 Формула (36) выведена из предположения, что карбиды имеют форму
ц.тастшгок {а-а-b), растворяющихся с наиболее актнпных четырех торцевых
плоскостей. Поверхность их составляет F— 4 ab. Масса карбида
гл = Ссв ~ fe( а? b,
rfCfp с . , т L ССв
= fe, 4afi =fe*- =
1/S
Г *
Теоретические основы кристаллизации чугуна
53
где С, Сев и Срр— соответствующие количества общего, связан-
ного и свободного углерода.
Противоположный характер носят кинетические кривые про-
цессов кристаллизации и диффузии, скорости которых возрастают
йо времени. Действительно, если контролирующим процессом
является кристаллиза-
ция, т. е. скорость роста за-
родышей, то вследствие анизо-
тропности этих скоростей ро-
ста1 в разных направлениях
(®х > ф3 > г1,) каждая грань
будет расти ср своей скоро-
стью, и в итоге должен обра-
зоваться идиоморфный кри-
сталл. При этом скорость ро-
ста каждой грани является
величиной постоянной во вре-
мени:
—=i-,=const; —=112 = 00051;
rf-c 1 dT Я
'*'— в fa = const,
йт
откуда:
П = Vi т; га = vs т; г9 = va х,
где ги гв, г3— расстояние со-
ответствующих граней от цен-
тра.
Если число зародышей
jy = Const, то количество гра-
.фита определится:
Рис. 20. Кинетические кривые эле-
ментарных процессов и вх возмож-
ные взаимоположепня (контролирую-
щие процессы представлены сплош-
ными линиями).
откуда:
Стр " A'l z'i Г3А7 = k W (37)
= kx*. (37а)
Таким образом скорость графитизации, когда она контроли-
руется процессом кристаллизации, очень быстро возрастает во
времени, как это1 следует из формулы (37а) и рис. 20.
Тотнр также и диффузия, как элементарный процесс, ха-
рактеризуется возрастающей во времени кинетической кривой,
математическое выражение которой может быть представлено
в следующем виде:
С,Ф = т“ или lg Сп, = /?._ + л 1g г, (38)
(38а)
54
Кристаллизация и струкгурообразование в чугуне
где 1,5—3,0 в зависимости от того, где образуются зароды-
ши графита—в карбидах или в твердом растворе (меньший по-
казатель соответствует образованию зародышей в карбидах}.
Допустим, что в карбидах образовался зародыш графита и вырос через
некоторое вр'емя до размеров 2 г. При этом, согласно формуле (21) вокруг
графита образуется сфера ^-раствора диаметром 2R itpnc. 21).
Рис, 2|. Схема роста
графита в процессе
графитизации через
твердый раствор
Скорость диффузии через Т-раствор при установившемся процессе гра-
фитизации может быть выражена согласно уравнению;
^2>=Д^ FN,
dx
(39)
где: Д — козфициент диффузии углерода;
dC
перепад концентрации углерода а растворе;
F— поверхность растущего зародыша;
N — число зародышей.
Козфициент диффузии углерода в растворе может быть вы ражее
по М. Е, Блантеру в виде следующей экспоненциальной зависимости:
1 восю
т
Дс = (0,042 + 0,08 С) е смЦсс-к
или, принимая концентрацию углерода в "(-растворе С-“('2%:
т
Дд “ 0,14 е aafi/сек.
Величина перепада концентрации в уравнении (39) представляет собой
падение концентрации в твердом растворе на единицу расстояния между
участками метастабильного и стабильного равновесия. Это расстояние или
путь диффузии (х = R — г) меняется во времени по мере роста выделения
графита (рис. 21). Согласно уравнению (31 aj;
л = Д — г==« — 0,55 « = 0,45 R =0,8 г,
где г — радиус выделения графита, который, в свою очередь, определяется
t С гр \
в зависимости от количества графита в одном выделении r = k1(~~-~J
Поэтому для случая твердого раствора;
'22. _ СЛ5~СЕ'3' CES-^K'S' ь —
Лх Л 0,8 г С|.р71
Точно также и поверхность выделения графита зависят от его радиуса,
а следовательно, и от его количества:
Теоретические основы кристаллизации чугуна
55
Принимая число центров графитизации при изотермическом процессе по-
стоянным Г получим путем соответствующих подстановок в формулу (39):
~frp -0.1) е Т (Ск - Сг,5, ) С,-/' (10)
или после интегрирования:
_ 24i XX)
Сгр = 41,6а 1 (С^.-С^,)1’5 --1-5 АП (-10а)
Итак, скорость процесса графитизации в том случае, когда он контроли-',
руется диффузией, возрастает с увеличением температуры (7), количества ".
зародышей (N), разности концентраций углерода в растворе (Cj;s—
и времени (т). При этом скорость роста графита во всех направлениях одну 1
какова, и если приток углерода со всех сторон тоже одинаков, то в резулу /
тате такой кристаллизации образуются округленные аллотриоморфные криу
еталлы графита. //
Если зародыши образуются в карбидах, то:
Сгр= йг или = k х^. (41)
Когда же зародыши образуются в у-растворе, показатель
степени в формуле (38) п возрастает и в пределе стремится
к 3,0 как при процессе кристаллизации (37), если же зародыши
' образуются на границе фаз, то 3,0 > п 1,5.
j Следует, однако, указать, что уравнение (41) правильно отоб-
( ражает кинетику процесса диффузии только до момента смыка-
; ния разрастающихся зерен аустенита или в так называемом
первом периоде графитизации (рис. 20). После этого ско-
.рость процесса уменьшается вследствие смыкания кристаллов
аустенита и увеличения пути диффузии (в.торой период).
., , Еще более резкое уменьшение скорости процесса происходит,
;ii' когда все структурно-свободные карбиды растворяются; дальней-
<7 шая графитизация идст только за счет падения концентрации
'. углерода в растворе от С*-,? до Q'-y' (трети й пер иод).
При содержании 2,7% С в белом чугуне можно в среднем считать, что
V при графитизации выделяется около 1,5% графита (1.2% С остается в рас-
ь. творе), а именно:
’’I- в первом периоде . . .0,85 % С
во вторпм периоде , .0,55 % С
в третьем периидё . . .0.10 % С
Ито г □ . 1,5 % С
Следовательно, около 50% нсего графита выделяется в первом периоде,
согласно уравнению (40), е возрастающей скоростью во времени, после чего
скорость графитизации соответственно понижается.
’ Постоянство числа зародышей при изотермическом процессе можно
принять только в первом прнближенип. Ойо объясняется тем, чти парал-
лельно с образованием ноаых зародышей происходит их ко»лрецепция.
5б
Кристаллизация и структураобразоаание в чугуне
Таким образом, из четырех элементарных процессов, состав-
ляющих общий процесс графитизации через твердый раствор,
два процесса (кристаллизация и диффузия) характеризуются,
возрастающей скоростью, причем скорость диффузии воз-
растает только в первом периоде, а затем падает. Два других
процесса (диссоциация и растворение) характеризуются ниспа-
дающими кинетическими кривыми, причем скорость процесса
диссоциации в начальный период остается почти постоянной.
Расположение кинетических кривых показывает какой из
процессов характеризуется минимальной скоростью и, следова-
тельно, является контролирующим. Такую роль может играть
любой из элементарных процессов как в течение всего периода
графитизации, так и в части его. Например, на рис. 20 внизу
изображен случай, когда контролирующим процессом (сплош-
ная линия) все время является диффузия. Вверху же представ-
лен другой пример, когда контролирующими процессами (сплош-
ная линия) оказываются вначале кристаллизация, потом диффу-
зия и, наконец, диссоциация. Следует отметить, что переход
контролирующей роли от одного процесса к другому может
протекать только в направлении: кристаллизация “•диффузия “*
-* диссоциация —. растворение. Действительно, если контроли-
рующим процессом является диффузия или диссоциация, то этот
процесс характеризуется в данный момент минимальной ско-
ростью. Тем более, следовательно, и в дальнейшем эта скорость
будет меньше, чем у впереди стоящих процессов (например,
кристаллизации), которые характеризуются более интенсивным
увеличением или менее интенсивным падением скорости во
времени.
г) Механизм графитизации. Обращаясь к экспери-
ментальным исследованиям процесса графитизации белого чугу-
на, т. е. к графитизации в присутствии структурно-свободных
карбидов, и располагая соответствующие кинетические кривые
в логарифмических координатах, согласно формуле (38) полу-
чим диаграмму рис. 22. Уклон кинетических кривых этой диа-
граммы характеризует значение п в формуле (38); как видно
из рис. 22, величина его колеблется в гцеделах 1,5—3,0. Эти]
свидетельствует о том, что контролирующим процессом!
при графитизации белого чугуна является ди ф J
ф у з н я, что н определяет образование округленных выделении
углерода отжига. Только в начале процесса, как это видно!
в случае медленной графитизации (правая кривая, рис. 22), на-
блюдается небольшой участок с уклоном в 45° к осям координат
in -1.0).
Можно было бы предположить, что контролирующим про-
цессом в данном случае является сначала диссоциация-, а затем
диффузия. Однако, как было указано, переход контролирующей
Теоретические основы кристаллизации чугуна.
57
чае частью общего последовательного процесса.
!Ьоли от диссоциации к диффузии невозможен. Если, несмотря на! 1
з(то, диффузия сменяет диссоциацию, как контролирующий про-) 1
цес'с, то диссоциация, следовательно,' не является в данном елу- |
чае частью общего последовательного процесса. ,
Поэтому следует притти к заключение, что диссоциация
п начале графитизации (этот период называется инкуба-
называется- инкуба-
Рис. 22. Кривые кинетики графитизации ковкого чугуна
в логарифмических координатах
ционны м или периодом индукции) яд л_я ется непосредс т-'
венн ы м распадом карбидов,.в резулыауе чего создают 1
с^изадод^ши для процесса кристаллизации через раствор. При '
этом оба процесса протекают одновременно и--независимо. Одна-.,
ко, предо создания центров кристаллизации процесс графитиза-
Ции _через раств75р“пр'йобр'ИТ1^г--такую ’срабйитёльно большую
и возрастающую скорость, что непосредственный распад карбидов
становится практически незаметным. В условиях быстрой графи-
тизации (высокой температуры или высокого содержания крем-
ния) этот процесс непосредственного распада карбидов может у
рисЬ22)3аМеТеН Даже в начале графитизации (левые кривые,)
58
Кристаллизация и струятурообразование в чугуне
В зависимости от условий, соотношение между количествами
графита, образованными указанными двумя путями, может быть,
различно. Это является одной из причин разной «плотности уна-/
ковки» графита. Последняя представляет отношение между)
количествами графита, определенными химическим и планимет-
рическим путем.
При нормальном объемном весе графита (-—2,25 г/см3) «плот-
ность упаковки» должна быть равна единице, В этом случае
объемный процент графита может быть легко рассчитан по его
весовому содержанию:
Вес графита, % I
Объем графита, % 3,3
2 3 4 6,67
6,5 9,5 12,3 19,5
На самом деле объемный процент графита несколько больше
рассчитанного, а значит «плотность упаковки» меньше единицы.
Однако, планиметрические измерения Г, И. Погодина—Алексе-
ева и др. показывают, что графит и углерод отжига имеют весь-
ма высокую «плотность упаковки» (0,75—1,0).
Это ясно доказывает диффузионный характер процесса обра-
зования графита. Поэтому следует признать, что графит серо-
го чугуна в такой же мере, как углерод отжига,
является продуктом кристаллизации из рас-
твора.
То обстоятельство, что зародышем для процесса графитиза-
ции является во многих случаях графит, образованный путем
распада карбидов, свидетельствует о том, что процесс кри-
сталлизации графита часто идет путем непо-
средственного выделения из раствора.
Это подтверждается также изучением структурообразования'
чугуна в процессе его эвтектического затвердевания путем при-
менения закалки образцов. При этом оказывается, как показали
К. П. Бунин, Г. Н. Троицкий и др., что в структуре затвердев-
шей части невозможно обнаружить карбиды. Эвтектические ко-
лонии состоят в этом случае из аустенита и графита без каких-
либо признаков предварительно выделившихся карбидов. При
этом графит играет роль ведущей фазы, так что его растущий
конец находится в жидком растворе, образующем ледебуритную
эвтектику во время закалки (рис. 23).
Графит является, следовательно, во многих случаях продук-
том непосредственной кристаллизации из раствора (жидкого или
твердого). Таким образом, из раствора может кристаллизовать-
ся графит или цементит в зависимости от соотношения сил связи
между атомами железа и углерода. Если силы связи между
одноименными атомами (/JFe и превалируют над силами
связи между разноименными атомамито вместе с атомами
59
Теоретические основы кристаллизации чугуна
углерода увлекается очень мало атомов железа, т. е. кристалли-
зуется графит. Если же силы связи между разноименпымиа™’
.нами (ионами) превалируют над одноименными ?е'Т£ с)>
то вместе с атомами углерода увлекается значительное ко-
личество атомов железа, т. е. кристаллизуется цементит,^ кото-
рый затем часто распадается с образованием более устойчивой
фа^зы (графита). Ре-
альность последнего
процесса доказана
многими работами и
находит теоретическое
подтверждение в так-
называемом законе
последователь-/
н ы х реакций. /
Согласно этому за|
кону, устойчивые фор1
мы часто получаются
путем прохождения че-
рез стадии промежу-
точной устойчивости,
так ка'к энергия акти-
вации для такого про-
цесса меньше, чем для
прямого образования
стабильной фазы. Этим
объясняется возмож-
и ость обоих путей гра-
Рпс. 23. Структура растущей эитсктнческой
колонии, свидетельствующая о кристаллиза-
ции графита непосредственно из жидкого
раствора (X 500)
фитизации чугуна. .Такое представление о механизме графити-
зации находится в полном соответствии со взглядом А. А. Бай-
кова и Н. Т. Гудцова на цементит if графит, как на твердые
растворы разной концентрации.
Как показали Я. С. Уманский, Петч и др., химическая связь между ато-
мами железа (-Рре ), а также между атомами железа и углерода (^5,)
в цементите является в основном металлической, причем связи между разно-
именными атомами примерно вдвое больше, чем между одноименными. Так
как углерод имеет 4 валентных электрона и окружен fi атомами железа, то
связи резонируют между 6 возможными положениями. Таким образом,
химическая связь в цементите в некоторых отношениях аналогична связи'
в феррите и аустените. Поэтому, несмотря на свое сходство с химическим
соединением, цементит одновременно представляет собой я твердый раствор,
как это доказал еще в 1914 г, А. 'А. Байков.
Jo- вак>ке '* графит А. А. Байков и Н. Т. Гудцов. а в последние wpeMsl
и К. И. Ващенко, рассматривают как твердый раствор железа в углерод?
с концентрацией от I до 20%. Этот вопрос нельзя еще считать окончательно'
выясненным, однако, исходя из высокой плотности упаковки графита,
можно предполагать, что он представляет собой твердый раствор с желе-
зом весьма небольшой концентрации.
60 Кристаллизация и стрцитурообразование в чугуне
При выделении графита из жидкого раствора параллельно
’Происходит кристаллизация а.УС1£Н?гта. вследстЪйГ'Фего приток
'атомов у гл е р о даГсб оку з атр яется, и кристаллы графи-
та приобретают 1! 11 а т у, ю ф о р м у. Этому спо-
собствует также то обстоятельство, что контролирующим про-
цессом при высоких температурах становится к р н стал л гг з аг-
ция вместо диффузии. Поэтому _пластннчатая форма _графдта
’ обрячуртгя- ча-лолько при кристаллизации из жидйбгб"рйствора,
j но иГпри термическо^~оора'ботке белого чугуна, когда вслёдртЬйе
t высокоштемцературы отжига контролирующим процессом стано-
1 шгтся хрцстздлиз1й^я.'Это получается потому, что с повышенй-
Ц ем .’температуры скорость диффузии возрастает быстрее и стано-
I витса больше, чем скорость кристаллизации.
I Если же контролирующим процессом является диффузия
I Аи приток атомов со всех сторон происходит равномерно, г р а-
[/1фит кристаллизуется в округленно’# (глобуляр-
7Гной) форме.
* I Изучение кинетики графитизации подтверждает, таким .обра-
- |^Ь*Дравиль№^ь^пёп^ш_ теории графитизаццл- Можно утверж-
11 дать, что графитиэяда^вляется в большинстве случаев диффу-
|вионным процессом, скорость которого определяют диффузия и
I ^кристаллизация. Из раствора могут выделяться д>афдт или кар-
- биды, в зависимости от соотношения межатомных сил и коли-
-йертва увлекаемых вместе с углеродом атомов железа. При этом
J (возможна та или иная степень графитизаций с образованием
Jсерого, половинчатого или белого чугуна.
4. ПРОЦЕССЫ ГРАФИТИЗАЦИИ И СТРУКТУРО-
ОБРАЗОВАН ИЯ ПРИ ОТЖИГЕ БЕЛОГО ЧУГУНА
Графитизация при отжиге белого чугуна происходит в твер-
дом состоянии и приводит к получению ковкого чугуна.
а) Этапы графитизации ковкого чугуна и по-
лучаемые структуры. Процесс отжига черносердечного
ковкого чугуна производится согласно графику рис. 24. Его мо-
жно разбить на несколько стадий: а) первая стадия графитиза-
ции, б) промежуточная стадия графитизации, в) вторая стадия
графитизации.
При нагреве отливок до температур 850—1050° происходит
образование насыщенного у-раствора с соответствующим рас-
творением карбидов согласно кривой KS (рис. I). Последующая
выдержка при постоянной температуре приводит к графитизации
стр у г курпо-свободных карбидов. Этот период, от начала образо-
вания графита до полного исчезновения карбидов и установле-
ния стабильного равновесия согласно кривой £'S', называется
Теоретические основы кристаллизации чугуна
61
ПромеЖ; уточная
стадия
еррритизацаи
I стадия г"| •—И стадия-^-
град>итизацаи\ \ЧНФ«™эоцаи
11 ВМерэкка I
»ыг.г UjFJ > ти ТП*.
Охлаждение ।
Критический
интервал^*
S SPSepMko н
KoepeS \ Окончательное
Охлаждение \ Охлаждение --
Время
Рне. 24. График отжига черносердечного
ковкого чугуна
первой стадией графитизации*. В конце этого перио-
да структура чугуна состоит из аустенита (стабильного состава)
н графита. Ввиду достижения стабильного равновесия последую-
щая выдержка при данной температуре ничего не может изме-
нить в структуре чугуна, за исключением разве выравнивания
состава и укрупнения
фазовых составляющих.
Дальнейшая графити-
зация возможна только
при снижении темпера-
туры, когда вследствие
падения растворимости
согласно f'S' из аусте-
нита выделяется графит.
Этот период называет-
ся промежуточной
стадией графит и-
за'цл и. Характер фаз
при этом Re изменяет-
ся — происходит только
обеднение аустенита уг-
леродом и увеличение ко-
личества графита.
Последним этапом процесса является вторая стадия
графитизации, вовремя которой графитизируется весь
оставшийся в растворе углерод и происходит превращение 7 —• or.
Это достигается либо соответствующей выдержкой при подкри-
тической температуре (сплошная линия, рис. 24), либо медлен-
ным прохождением критического интервала (пунктирная линия,
рис. 24).
В первом случае вследствие быстрого прохождения критиче-
. ского интёр^ЯЛЛ"Образуется '’перлит, кг-рбуды7к6трррго_' распа-
ДЖЯйГво время последующей выдержки. Во втором случае -уз,
аустенита при медленном. охлаждении 'кристЗйлйзует^^йфитр
с одновременным образованием феррита. ТТри правильном \ ‘
веЦйгш1''процесса в обойх~ЕТучйях йолуча'ется, таким образом,
стабильная структура, состоящая из феррита и графита (рис. 25)с
Эта структура при дальнейшем охлаждении больше не меняетн'
ся, если не считать того, что из феррита выделяется «еэначин
Если же скорость охлаждения во второй стадия графитчза-1
ции слишком велика или соответствующая выдержка недоста-^
точна, то в структуре чугуна остается в большей или меньшей
1 Как было указано на рис. 20, первую стадию графитизации можно
•в. свою очередь, разбить на три периода.
62 Кристаллизация и структурообразование в чугуне
Рис. 25. Структура ферритного топкого чугуна (X 120Ц
я — Абычкий; в — тфедвархгельио зака-епчый до отжига
степени перлит. При этом часто подучается структура, называе-
мая1 «бычьим глазом», в которой углерод отжига окружен фер-
ритом на фоне перлита (рис. 26).
Такая структура образуется вследствие прививочного дейст-
ния выделении
углерода
Рис, 26, Структура «бычьего глазам {X 100)
отжига, играющих роль центров
кристаллизации при
второй стадии гра-
фитизации. Поэтому
в ближайшем y-pat-
творе происходит
превращение соглдс-
во стабильным ли-
ниям диаграммы__со-
стояний, а в более
отдаленных участ-
ках раствор д^пер-
лит. г- Чз-цЗ
Механизм гра-
фитизации при вто-
рой стадии по суще-
ству не .отличается
от первой стадии, только диффузия проходит при _этом чсрез|
о -раствор. Скорость же процесса внутри критического интер-1
вала значительно тише, чем в прдкритичесЕщщГ^ТТоэтот,^- мед-|
ленное прохождение “критического интервалапри1 второй стадии
Теоретические основы кристаллизации чугуна
63
графитизации следует предпочитать выдержке при температура
ниже критической (рис. 24). V
'"Для получения ферритной структуры обычно достаточна ско-.
рость охлаждения в критическом интервале в 3?— 57час. При вы- ;
держке при постоянной температуре феррит начинает появлять- |
с я при 740—780J и выделяется на границе зерен. Количество ।
его увеличивается с понижением температуры, так что перлит' ^
полностью исчезает при температурах отжига 720—700°. При J
дальнейшем понижении температуры скорость графитизации по-
нижается.
б) Образование центров кристаллизации
и ускорение процесса отжига ковкого чугуна.
Так как графитизация ковкого чугуна идет преимущественно
через твердый раствор, то образование центров кристаллизации
играет решающую роль в этом процессе. Как показал анализ|г.
кинетики графитизации, зародыши в первой стадии процесса
образуются, главным образом, в результате распада карбидов*.
на границе фаз. Однако, некоторую роль могут играть также 4
неметаллические включения, например MnS и др. Пяйтрму
ускорение процесса отжига возможно, главным образом, путем
уменьшения стабильности карбидов; изменения состава чугуна,
повышения температуры отжига, размельчения первичной
структуры, модифицирования и т. д. Кроме того, ускорение от-» )
жига ковкого чугуна возможно еще путем применения прсдва-
ритсльной закалки белого чугуна до отжига, наклепа, какой
либо химико-термической обработки, идущей с изменением-
объема при низких температурах (азотирование), щггем пред-1
варктельного низкотемпературного отжига (315—350s) в тече- 1
нйё"1Йм5тлькйх часов, а также путем медленного нагрева1 от- )
лйврк.
Относительно механизма влияния всех этих факторов нет еще единого
мнения. Так, например, Шварц видит причину образования большого коли-
чества зародышей при предварительной закалке белого чугуна в выделении
карбидов при нагревании после закалки. Эти мельчайшие карбиды вслед-
ствие большой поверхностной энергии весьма неустойчивы и легко распада-
ются. С, Л. Салтыков усматривает причину действия закалки в пересыщении
Т-раствора углеродом. Г, Н. Троицкий и В. Ф. Зубарев считают причиной
образования большого числа центров кристаллизации при предварительной) >
мкалке чугуна растягивающие напряжения и трещины в карбидах. Точно!
также и при низкотемпературном отжиге могут |Возникнуть сильно напри-{
жеиное состояние и наклеп в чугуне, например, вследствие выделения ведь-’
рола. Это увеличивает число центров кристаллизации в результате ускорения
распада карбидов.
Насколько велико значение этих факторов, можно судить
по тому, что при предварительной закалке число центров
кристаллизации может увеличиться от 100 до 7000 и даже
35 000 на 1 мм3 (рис. 25).
64
Кристаллизация и стрцктцрообразование а чугуне
По данным Г. Н. Троицкого, наблюдается следующее из-
менение числа выделений углерода отжига в ковком чугуне
в завненмости от характера предварительной обработки1:
Состояние
чугуна
Исходный После на- После дакал- После закал™
ЧУГУН КДбПН км в масле
3 930°
Количество
выделений
на 1 .и.«’
При медленном нагреве t число выделений
15—20
Ю-ЮОО 800—2000
___. ДрЕдвари
кч в воде тельный элек-
030* тронагрев
900е
1600-4000 200
f.vrl
увеличив'
7 Г Увеличение числа зародышей наблюдается также при раз-
мельчении первичной структуры, так как при этом уменьшается
устойчивость карбидов вследствие увеличения их поверхност-
1|ной энергии. В этом направлении, как показал Г Н. Троицкий,
J1 действуют не только модифицирование, но и увеличение пере-
грева жидкого чугуна и ускорение охлаждения отливок
(рис. 27). Поэтому отлввка в
кокиль увеличивает ."число за-
родышед^щримерно в че.тыре
р_аза‘ по сравнению _с отливкой
в песочные формы.
в) Форма углерода
отжига в ковком чугу-
н е. Рост возникающих цент-
ров кристаллизации происхо-
дит, как указано выше, через
твердый раствор, причем . кон-
тролирующим . фактором в це-
пи, .четырех элементарных про-
Рис, 27. Влияние перегрева жидко-
го чугуна и скорости охлаждения
из количество выделений углерода
отжига в ковком чугуне
цессов чаще всего является
диффузи^Д связи с этим выделения углерода отжига имеют
обычЗКг’правильную округленную форму (рис. 28а). Однако
с, повцшедя^м температуры .фор^а., выделений углерода отжид^
становится развёгвдЁннрй" (рис. 288, в, г) и даже пластинчатой
вследствие того, чтр. ..контролирующая роль в посдедавательйпм
ряде переходит of диффузии к кристаллизации. Такие формьй \
;с.-ет>г<н углерода отжига могут образоваться также при”не7'1
равномерной диффузии углерода с разных сторон или при не-//
равномерном сопротивлении окружающей среды. ,'//
В некоторых случаях, в частности после предварительной
закалки чугуна, углерод отжига дает строчечное расположение
! j । Истинное число центров кристаллизации в 10—20 раз больше числа
! выделений графита на шлифе вследствие коалесценции их и процессе
' I отжига.
Теоретические основы кристаллизации чугуна
65
Рис. 28. Формы выделений углерода отжига в ковком чугуне;
а —» округленная; С, в, г —* разиетилешше: д — строчечная
вследствие образования большого числа близко расположенных
зародышей, сливающихся при последующем росте (рис. 285).
Такое расположение углерода отжига, как и разветвленные
или пластинчатые выделения, отрицательно отзывается на
свойствах ковкого чугуна и поэтому нежелательно.
5. ПРОЦЕССЫ ГРАФИТИЗАЦИИ
И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В СЕРОМ ЧУГУНЕ
Графитизация серого чугуна происходит при его охлажде-
нии в форме. Этот процесс можно разбить на три стадии, так
же как и графитизацию белого чугуна при отжиге. Разница
заключается только в том, что первая стадия графитизации
здесь протекает в области более высоких температур (в эвтек-
тическом интервале), а вторая стадия проходится относительно
быстро, так что перлит является нормальной (и желательной)
структурной составляющей серого чугуна. Как было указано
выше, графитизация серого чугуна может происходить путем
непосредственной кристаллизации графита из жидкого раство-
ра вли путем распада предварительно выделившихся карбидов.
В связи с этим следует различать стабильное и метастабильное
затвердевание серого чугуна.
а) Стабильное затвердевание серого чугуна
и формы об разу ющ егос я графита. Центрами кристал-
лизации при графитизации серого чугуна являются, как указы-
валось > выше, концентрационные отклонения, субмикроскопи-
ческие остатки нерастворепного графита и некоторые другие
включения. Наличие чужеродных зародышей часто определяет
стабильное затвердевание серого чугуна, в то время как в от-
сутствии их оно идет по метастабильным линиям системы Fe —
5 Зак. 805
66
Кристаллизация и структуропбразование в чугуне
Рис. 29, Изменение излома чугуна при модифицирования
Fe3C. Поэтому, при модифицировании чугуна можно видеть,
что излом образцов становится серым после введения модифи-
каторов (например, ферросилиция), в то время как до этого
излом был белый (рис. 29). Одновременно происходит повыше-
ние критических температур (рис. 30).
Общая схема образования графита в этом случае пред-
ставляется в следующем виде. После выделения первичных фаз
Рис. 30. Изменение эвтектической температуры
чугуна при модифицировании
(аустенита в доэвтектическом и графита в заэвтектическом чугу-
не) начинается эвтектическое превращение с соответствующим
выделением графита. Однако, вследствие малого переохлажде-
ния. при этом обычно получается грубый конгломерат, а не
тонкая эвтектическая структура. Ведущей фазой при такой
кристаллизации является графит, выделения которого распола-
гаются равномерно и дезориентированно (рис. 31а),
Теоретические основы кристаллизации чугуна
67
При несколько большем переохлаждении образуется розеточ-
ная форма графита, хорошо наблюдаемая на шлифе при не-
большом увеличении. Графит и в этом случае остается веду-
щей фазой и растет из одного центра внутри эвтектической ко-
лонии, образуя ясно выраженную розетку (рис, 31, о), па кри-
г д е
Рис. 31, Форма выделений графита в сером чугуне;
« —- равномерно-плзс-ататия; б —- розеточная; и — кеждекдрктная; г — х&рбндообразная;
д — межлс|ирмтк|>точечная; а — глобулярная
вой изотермической кристаллизации эвтектики этому соответ-
ствует первая ветвь верхней части рис, 7,
Наконец, при еще большем переохлаждении, в особенности
в доэвтектическом чугуне, графит располагается в межденд-
ритных пространствах аустенита (рис. 31 в), причем ведущей
5*
68
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
фазой становится аустенит. Последний в этом случае кристал-
лизуется па. первичных выделениях аустенита, а графит рас-
полагается по границам образующихся дендритов. Поэтому
расположение графита носит междендритный сетчатый харак-
тер. Этому процессу соответствует вторая (средняя) ветвь
кривой изотермической кристаллизации эвтектики (рис. 7).
Проводя аналогию с эвтектоидным превращением, можно сказать, что
образование пластинчатого графита так же. как образование перлита, вызы-
вается ведущей кристаллизацией высокоуглеродистых фаз; при образовании
же междендритного графита и игольчатых структур ведущими фазами явля-
ются уже малоуглеродистые составляющие (аустенит, феррит).
Таким образом, образующийся в сером чугуне пластинчатый
графит является в большинстве случаев продуктом пря-
мой кристаллизации из жидкого раствора и в
зависимости от переохлаждения, в частности от наличия чуже-
родных зародышей, может иметь три основные формы: равно-
мерно-пластинчатую, розеточную и межден-
дритную'.
б) Мот а с т а б и л ьное затвердевание серого чу-
гуна и формы образующегося графита. Условия
кристаллизации (состав металла, скорость охлаждения, нали-
чие зародышей графита и т. п.) не всегда обеспечивают воз-
можность затвердевания чугуна по стабильной системе.
В этом случае кристаллизация эвтектики сопровождается боль-
шим переохлаждением ц происходит по метастабильной систе-
ме (нижняя ветвь ^рхней части рис. 7). Получающаяся струк-
тура, состоящая из аустенита и карбидов, не является устой-
чивой и карбиды, распадаясь, образуют графит. Этот распад,
в свою очередь, может иттн непосредственно или, как это ча-
ще всего бывает, через твердый раствор.
В последнем случае процесс нуждается в предварительном
образовании зародышей. Следует указать, что процесс первич-
ной кристаллизации настолько сильно меняет природу и строе-
ние металла, что в твердом чугуне может возникнуть большое
количество центров графитизации, хотя в жидком растворе их
было мало.
Сравнительно однородная металлическая жидкость стано-
вится после кристаллизации неоднородным твердым телом,
п эта неоднородность создает зародыши для графита (границы ,
фаз, образование разного рода включений вследствие резкого
уменьшения растворимости и г. и.). Появление зародыш ?й
способствует распаду неустойчивых карбидов. Форма обра-
зующегося при этом графита зависит от того, идет ли процесс
распада непосредственно или через раствор н каковы скорость
распада карбидов, количество зародышей, температура, ско-
рость коалесценции и т. д. Грубые выделения первичных кар-
Теоретические основы кристаллизации чугуна
69
бидов образуют в результате непосредственного распада круп-
ные пластинки графита (рис. 31,а).
При большом переохлаждении температура процесса по-
нижается, количество зародышей увеличивается, а скорость
коалесценции графита уменьшается, Образующиеся при этом
выделения графита носят точечный характер, однако, при
большом увеличении можно убедиться, что они имеют форму
слабо развитых пластинок (рис, 31,<Э). Этот графит также явля-
ется результатом распада предварительно выделившихся карби-
дов в междендритных пространствах аустенита.
Доказательством этого могут служить опыты с закалкой
высоко кремнистого чугуна (~ 10% Si) в процессе его затверде-
вания:
Температура эпте-
ктической останов-
ки, °C
1137
1136
Температура за-
калки, °C
1136
1113
Структура
й-феррит-|-карбиды
й-феррит-|-межден-
дритный графит
Из этих данных видно, что непосредственно после затвер-
девания эвтектики образуются карбиды, которые потом рас-
падаются с образованием междендритного графита.
Таким образом, при распаде карбидов, как при прямой
кристаллизации из жидкого раствора, возможно образование
графита разной формы: пластинчатой (карбидообразной), то-
чечной и междендритно-точечной (графит распада).
При еще большем переохлаждении контролирующим про-
цессом при графитизации становится диффузия, и графит кри-
сталлизуется в глобулярной форме (рис. 31,е).
в) Влияние графитизации на структуру ос-
новной металлической массы чугуна. Графитиза-
ция определяет количество связанного углерода в чугуне,
а следовательно, и структуру его основной металлической мас-
сы. В зависимости от степени графитизации структура основ-
ной металлической массы чугуна может быть перлит о-ц е м е н-
титной, перлитной, перлит о-ф ерритнон или фер-
ритной. При этом феррит располагается либо отдельными
гнездами, либо в виде оторочки вокруг выделений графита,
играющих, таким образом, роль центров кристаллизации. На-
пример, можно отметить, как правило, что графит распада
большей частью окружен так называемым первичным фер-
ритом (рис. 31,д), который образуется несмотря па сравнительно
большую скорость охлаждения. То же наблюдается часто при
глобулярном графите (рис. 31 ,е), А. Ф. Ланда и др. считают
поэтому, что «первичный феррит» образуется еше в надкрити-
ческом интервале вследствие того, что появляющееся при рас-
70
Кристаллизация и стрцкгцрообразояание в чугуне
паде карДидов железо не успевает по той пли иной причине
растворить углерод.
/Другая, более правильная точка зрения рассматривает «пер-
вичный феррит» как продукт обычного эвтектоидного распада.
Вследствие наличия большого количества мелких, Слизко рас-
положенных выделений графита, девствующих как зародыш,:,
процесс второй стадии графитизации в близлежащем т-расг-
воре сильно облегчается. Поэтому вокруг выделений графита
распада образуется феррит, в то время как в более удален-
ных участках превращение идет с образованием метастабиль-
ных структур (перлита). Следовательно, указанная структура
по,своему образованию вполне идентична «бычьему глазу»
ковкого чугуна (рис. 26).
6. ОЦЕНКА ФОРМЫ И КОЛИЧЕСТВА ГРАФИТА
В ЧУГУНЕ
Графит является важной структурной составляющей чугу-
на, и поэтому оценка его имеет большое значение.
а) Форма, величина и расположение графита.
Согласно различным литературным данным, выделения графита
Рис. 32,
Форма пластинок графита
серого чугуна
имеют форму изогнутых
листочков или пластинок
(рис. 32). По сечению на
шлифе пластинки графи-
та могут быть прямо-
линейными или в раз-
ной степени завихрен-
ными. Оценивая распо-
ложение графита в сером
чугуне, приходится отме-
чать, насколько ориенти-
ровано и равномерно рас-
пределены его выделения
в основной массе и не
пересекаются ли они ме-
жду собой (степень изо-
лированности выделений
графита или его коло-
ний). ГОСТ 3443-46 пре-
дусматривает произволь-
ное и ориентированное
относительно осей пер-
вичных дендритов расположение выделений графита или его ко-
лоний, а также различную степень их изолированности. Выде-
Теоретические основы, кристаллизации чугуна
71
леиия углерода отжига в ковком чугуне менее разнообразны —
формы их ограничиваются схемой рис. 28, а в стандарте разли-
чаются только как округленные и разорванные.
Диапазон размеров выделений графита в сером и ковком
чугуне лежит в пределах от 0,001 до 1 мм. Практически наи-
более часто встречающийся интервал составляет 0,02—0,7 леи.
На отдельном шлифе или даже в одном поле зрения микро-
скопа встречаются различные выделения графита, так что
наиболее правильное заключение о величине их можно сде-
лать jjo соответствующим частотным кривым. Однако построе-
ние таких кривых или подсчет средней величины графитных
выделений весьма сложны и требуют много времени. Поэтому
значительно проще при оценке величины выделений графита
исходить из их наибольшей длины, и эту величину положить
п основу построения шкалы количественной классификации.
Советский стандарт предусматривает в этом отношении 8 ти-
пов графита, из которых каждый последующий в 2 раза ко-
роче предыдущего:
jjj 123456 7 8
Максимальная
длина, мм >1,0 1,0 - 0,49— 0,24- 0.11- 0,05 - 0,025- <0,015
-0,5 —0,25 -0.12 —0.06 -0.03 -0,015
Размельчение графита при этом обычно приводит к денд-
ритной ориентации.
В ковком чугуне различают по тому же принципу 5 типов
выделений графита:
№ 1 2 3 4 5
Максимальный диаметр
углерода отжига, мм >0,16 0,16—0,12 0,11—0,08 0,07—0,04 <0,04
Введение каких-либо норм для толщины графитных выде-
лений пока не принято, так как наблюдаемая под микроскопом
толщина пластинок значительно отличается от истинной. Это
объясняется тем, что при изготовлении шлифа графит выкра-
шивается, а края окружающей металлической массы сминают-
ся, что искажает наблюдаемую под микроскопом форму выде-
лений графита, в особенности при грубой полировке. Точно
также чрезмерное травление, связанное с о-кислением слоя
между графитом и металлической основой, создает темные
полосы, неотличимые от графита, и выделения последнего
могут, показаться более широкими, чем они являются в дей-
ствительности.
Для характеристики выделений графита, а также числа
центров кристаллизации, часто определяют их количество на
единицу площади (1 ммг) или объема (1 льи3). Если прене-
72
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
бречь тем, что выделения имеют разные размеры, то, принимая
их расположение по углам куба, легко определить (по
С. А. Салтыкову).
V=2,38 л1-6 (42)
где N— число выделений в единице объема,
п—-число выделений на единице площади.
При значениях п от 15 до 4000 число выделений углерода
отжига в 1 мм3 колеблется, таким образом, от 180 до 350000.
б) Количество графита и степень графитяза-
ц и и. Количество графита может быть определено химическим
или металлографическим способом. В последнем случае поль-
зуются ориентировочным визуальным или более точным пла-
ниметрическим способом. Во всех случаях при сравнении раз-
ных сортов чугуна часто возникает вопрос, какой из них гра-
фитизирован в большей степени. Легко видеть, что абсолютное
количество графита ни в коем случае не может служить кри-
терием подобной оценки. Так, например, при двух составах
чугуна:
]) Соб=2,О о/0 Сгр=2.0 %
2)Соб=4,3% Сгр =3,0 %
Ссв =0 %
Ссв=1,3 %
первый полнее графитизирован несмотря на то, что по абсо-
лютному количеству графита он уступает второму.
Другой способ опенки степени графитизации заключается
в определении относительного количества графита
. ]оо%
\
Этот способ значительно лучше
рактеризует правильно степень
два чугуна состава:
первого, но он также не ха-
графитизации. Так, например,
1) С 6 =2,0% с =1,2% с =0 8о/0 Сгр
Р —^-.100=60®/0
соб
2) Со6 =4,3% С =3,5% Ссв=0,£% Сгр
₽ —” 100=82%
Соб
имеют одинаковую степень графитизации, так как в обоих
случаях прошла полностью графитизация эвтектических и вто-
ричных карбидов (первая и промежуточная стадии) и совер-
шенно не графитизирован перлит (вторая стадия). Между тем,
судя по относительному количеству графита, второй чугун
имеет более высокую степень графитизации. Поэтому для
правильного определения степени графитизации чугуна автор
Теоретические основы кристаллизации чугуна
73
предложил следующие формулы, исходя из того, что полное
завершение первой стадии графитизации должно обозначаться
1,0, а первой и второй стадий — 2,0:
а) Степень графитизации ___ Сгр_______
(для чугуна с заэвтекто- г - _ с„РГ1П ' ' ''
ид ной основной массой) р
б) Степень графитизации п ^св (44)
(для чугуна с доэвтектоид- “ с ’ ' '
Ной основной массой) перл
где С псрл —содержание углерода в перлите, %-
Степень графитизации по этим формулам колеблется от 0
До 1 для чугуна с заэвтектоидной основной массой и от. 1,0
до 2,0 для доэвтектоидной. При полном отсутствии графита
(Сгр = 0) степень графитизации, согласно первой формуле,
равна нулю. По мере появления и увеличения количества
графита степень графитизации растет; при чисто перлитной
структуре опа получается по обеим формулам равной 1,0, так
как в этом случае:
Сен ‘ ^"перл Д ^об Сс1[ Cjjfj — СПерл Сгс>
Это означает, что первая и промежуточная стадии графити-
зации полностью закончены, а вторая стадия не начата, По
мере распада перлита степень графитизации становится боль-
ше 1,0 и определяется уже по второй формуле, которая для
случая полного завершения процесса дает степень графитиза-
ции, равную 2,0. Это означает, что и вторая стадия графитиза-
ции полностью закончена.
Чугун с заэвтектоидной основной массой имеет степень
графитизации меньше 1,0, что показывает, какая часть первой
стадии графитизации 1 завершена, а чугун с доэвтектоидной
основной массой имеет степень графитизации больше 1,0, что
показывает, какая часть второй стадии графитизации успела
пройти. Например, если чугун имеет степень графитизации
1,3, то это значит, что полностью завершена первая стадия и на
30% прошла вторая стадия графитизации.
Определенная таким образом степень графитизации харак-
теризует основную массу чугуна. Абсолютное же количество
графита, от которого в сильной степени зависят свойства чу-
гуна, определяется при данной степени графитизации общим
содержанием углерода. Следовательно, для полной характери-
стики чугуна необходимо знать не только форму графита, по
и общее количество углерода и степень графитизации.
1 Для простоты первая стадия графитизации объединена здесь с пром
ж уточной.
74
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
ГЛАВА 7/
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ДРУГИХ
ФАКТОРОВ НА КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ
И СТРУКТУРУ ЧУГУНА
Кристаллизация чугуна в отливках является функцией боль-
шого количества факторов: химического состава металла, ско-
рости охлаждения отливок, характера жидкого состояния чу-
гуна, термической обработки и т. д. Есе эти факторы ока-
зывают влияние как на первичную, так и на вторичную кри-
сталлизацию, предопределяя соответствующие структурные из-
менения графита и основной металлической массы в чугуне.
1. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
Химический состав оказывает очень сильное влияние на
кристаллизацию чугуна. Меняя состав чугуна, можно, при про-
чих равных условиях, получить любую структуру в чугунных
отливках,
а) Механизм влияния элементов на кристал-
лизацию чугуна. С точки зрения влияния элементов на
кристаллизацию чугуна наибольший интерес представляет их
влияние па графитизацию. Располагая элементы в зависимости
от их положительного или отрицательного влияния на графи-
тизацию, можно получить следующий ряд:
+*^----------------------------------------------*—
Al, С, Si, Ti, Mi, Си, Р, Со, Zr, Nb, W, Мп. Mo, S, Cr, V, Те, Mg, Се, В
Элементы, расположенные в середине этого ряда, являются
нейтральными, слева от них располагаются элементы, спо-
собствующие графитизации, справа—препятствующие ей1.
Многочисленные попытки вскрыть природу и механизм воз-
действия на графитизацию имели до сих пор сравнительно ма-
ло успеха. Существует мнение, что все элементы с решеткой
гранецентриров’анного куба (Al, №, Си, Со) способствуют
графитизации, в то время как элементы с решеткой простран-
ств енио- центрирован но го куба (Cr, V, Мо) препятствуют
[ В литературе широко распространено неправильное утверждение, что
карбндообразующие элементы л элементы, препятствующие графитизации,
являются синонимами. Эти два понятия следует строго различать. Например,
титан является карбндообразуюшим элементом и в то же время способствует
графитизации. Сера, наоборот, не образует юарбидов в чугуне и о то же
время препятствует графитизации.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру'чугуна 75
графитизации. Эта формальная классификация не в состоянии,
однако, объяснить влияние серы, кремния, титана и других
элементов, имеющих некубическую решетку, а также разную
интенсивность действия элементов на графитизацию.
Графитизирующее влияние элементов связывают также с из-
менением ими критических точек на диаграмме состояний. При
прочих равных условиях всякое перемещение критических то-
чек вверх и влево, т- е. в сторону повышения температуры
и уменьшения концентрации углерода, обычно сопровождается
благоприятным влиянием на графитизацию. Это объясняется
тем, что процесс графитизации протекает тем быстрее, чем вы-
ше температура и чем больше углерода вытесняется из раство-
ра. В том же направлении влияет увеличение разности кон-
центраций углерода з равновесии с метастабильной и стабиль-
ной фазами диаграммы состояний Fc — С сплавов (например,
Ces —С юз- ), так как при этом затрудняется переохлажде-
ние ц увеличивается скорость диффузии углерода. В качестве
примеров такого влияния на диаграмму состояний и графити-
зацию можно привести кремний, алюминий, никель.
Однако и эта общая закономерность имеет исключения.
Так, например, хром уменьшает содержание углерода в эв-
тектике и даже повышает ее температуру, но в то же время
препятствует графитизации.
Еще более интересны попытки увязать графитизирующее
действие элементов с их положением в таблице Менделеева
или с величиной атомного радиуса. Во многих случаях подоб-
ная связь может удовлетворительно объяснить влияние эле-
ментов. Например, алюминий, кремний, фосфор, сера распола-
гаются в таблице Менделеева в ряд соответственно с умень-
шением их графитизирующего влияния. Элементы в I и VIII
группах преимущественно способствуют, а в V и VI препят-
ствуют графитизации.
Так как положение элемента в таблице Менделеева связа-
но со строением его атома, то вполне естественна идея уста-
новления зависимости между графитизирующим действием
элемента и его электронным строением. Такую попытку впервые
сделал А. Ф. Ланда. Развивая эту идею, автору удалось пока-
зать, что графитизирующая способность элементов является
периодической функцией их атомного номера (рис. 33).
Как известно, химические свойства элементов определяются
только теми электронами, которые находятся вне заполненных
оболочек. В частности, группа переходных элементов (Sc, Ti,
V. Cr, Мп, Fe, Со, Ni), представляющая наибольший интерес,
имеет незаполненный ЗсРуровень.
Из рис. 33 видно, что по мере увеличения числа электро-
нов в этом ряду элементов карбидообразующая способность
76
Кристаллизация и crpi/ктурообразоеание в чуаукг
ИХ, т. е. силы связи с углеродом уменьшаются. Такая зависи-
мость может быть объяснена тем, что при образовании карби-
Рис. 33. Периодическая закономерность графитизирующей способности
элементов при расположении их по порядковым номерам таблицы
Менделеева
(чем элемент ближе к. скандию), тем прочнее связь с углеро-
дом, и наоборот. Поэтому самые прочные карбиды дают скан-
дий и тиган, самые слабые — кобальт и никель. Элементы,
имеющие на Sd-уровне меньшее число электронов, чем железо
(Sc, Ti, V, Сг, Мп), должны препятствовать графитизации.
Элеменчы же, характеризующиеся большим числом электро-
нов на ЗсГуровне (Со, Ni, Си), должны способствовать графи-
тизации. Практика подтверждает эту закономерность, за ис-
ключением титана (и, вероятно, скандия), графитизирующее вли-
яние которых объясняется зародышевым действием прочных
карбидов. Поэтому наиболее активные карбидообразующле эле-
менты (Sc, Ti. Zr, Nb) способствуют графитизации или, в край-
нем случае, нейтральны.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 77
Противоположная картина наблюдается при рассмотрении
другого ряда элементов (Al, Si, Р, S), в котором но мере
достройки Зр-уровня графитизирующая способность уже воз-
растает, а не уменьшается. Указанные закономерности наб
людаются и на других электронных оболочках. Поэтому при
расположении элементов по порядковым номерам в таблице
Менделеева, в зависимости от их графитизирующей способно-
сти, получается периодическая закономерность (рис. 33).
Во всех случаях графитизирующая способность элементов
увеличивается по мере заполнения d- и f-уровней и уменьшает-
ся по мере заполнения их s- и д-уровней. Исключение состав-
ляют только те элементы, карбиды которых служат зародыша-
ми. При этом интенсивность влияния на графитизацию пони-
жается по мере увеличения порядкового номера элементов. Сле-
дует только отметить, что бор препятствует графитизации, не-
смотря па незаполненную р-оболочку. Однако он и во многих
других отношениях является исключением. Что же касается
Титана, циркония и ниобия, то их благоприятное (Ti, Zn) или
нейтральное (Nb) влияние на графитизацию, как указывалось
выше, по существу не противоречит установленному принципу,
хотя они и располагаются на рис. 33 в области элементов,
препятствующих графитизации. Благоприятное действие этих
Элементов обусловливается зародышевым влиянием нх карбидов
Или других соединений, несмотря на то, что сами по. себе эти
элементы должны препятствовать графитизации при образова-
нии растворов с цементитом или аустенитом (ферритом).
Таким образом, существует определенная связь между
графитизирующей способностью элементов и их электронным
строением. Последнее определяет химические связи элементов
с углеродом и железом, а следовательно, и распределение этих
элементов между карбидами и ферритом (аустенитом). Поэ-
тому существует общая аналогия в расположении элементов
по их графитизирующей способности и по распределению меж-
ду ферритом и карбидами.
Так, например, согласно исследованиям А. С. Завьялова,
распределение марганца, молибдена и хрома между карбидами
и ферритом, при сравнительно небольших содержаниях элемен-
тов, характеризуется следующими данными:
*4 |р"^пфег ^-'гкарг ^Лфср
0,33 1,0 1,58
В полном соответствии с этими данными торможение гра-
фитизации возрастает в том же порядке — от марганца к мо-
либдену и к хрому.
Так как графитизация является большей частью диффу-
зионным процессом, протекающим в растворе, то грефитнзп-
78
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
ругощее действие элементов естественно объяснять тем же
соотношением сил связи между атомами раствора, которое
определяет и распределение элементов между фазовыми со-
ставляющими. Это отношение может быть выражено:
Pj :(РГ+
где Р3 —химические связи между легирующим элементом
и углеродом;
р^с — химические связи между легирующим элементом
и железом;
ро — химические связи между атомами углерода.
Чем больше это отношение, чем больше силы связи эле-
мента с углеродом (Р3), тем больше, следовательно, вероят-
ность кристаллизации углерода в форме карбидов. Наоборот,
с уменьшением указанного отношения относительно увеличи-
ваются силы, удерживающие атомы элемента и железа в рас-
творе (Р^е ), и силы ассоциации атомов углерода (Р^).
Поэтому увеличивается вероятность выделения углерода из
раствора в виде графита. Эти силы в значительной мере опре-
деляются примесями и легирующими элементами в чугуне.
Элементы, способствующие графитизации (Si, Ni, Си), укреп-
ляют связи Р£; и ослабляют связи Рре- Они находятся преиму-
щественно в растворе с аустенитом (ферритом). Элементы же,
препятствующие графитизации, наоборот, укрепляют связи
Рре, ослабляют ’ связи Р£и находятся преимущественно в рас-
творе с карбидами. Таким образом, влияние элементов
на диффузионную графитизацию определяется
силами связи не только суглеродом, ноисже-
л е з о м.
При непосредственном же распаде карбидов скорость про-
цесса определяется уже только устойчивостью высокоуглеро-
дистых фаз. Впрочем, значение этого фактора сказывается
также и при диффузионном процессе графитизации, так как
центры кристаллизации в присутствии структурно свободных
карбидов (например, при отжиге ковкого чугуна) образуются
большей частью путем их непосредственного распада.
Однако влияние элементов на структуру и свойства чу-
гуна определяется изменением условий не только графитиза-
ции, но и кристаллизации основной металлической массы.
Легирующие элементы, образуя растворы с основными струк-
турными составляющими чугуна, или какие-либо новые спе-
циальные фазы, изменяют процесс кристаллизации и структу-
ру чугуна. Поэтому с целью анализа явлений следует условно
различать графитизирующее и непосредствен-
ное влияние элементов, хотя это не легко осуществить.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структур у чугуна 79
Непосредственное воздействие растворимых примесей
I и легирующих элементов на параметры кристаллизации опре-
Е деляется их влиянием па работу образования зародыша, ско-
> рость диффузии, вязкость и теплопроводность металла. В за-
В внешности от этого возможно увеличение или уменьшение ско-
P. рости образования самой ооизвольных зародышей и скорости
*' их роста, а следовательно, размельчение или укрупнение струк-
туры чугуна.
Кроме того, на кристаллизацию оказывают непосредственное
влияние нерастворимые или малораствирнмые соединения, иг-
,> рающие роль вынужденных зародышей или адсорбционных
•J пленок на растущих кристаллах. Эти образования изменяют
степень переохлаждения, а следовательно, и параметры кри-
сталлизации. В процессе вторичной кристаллизации соответст-
венно изменяются температура и скорость аустенитного прев-
ращения. Понижение температуры и скорости превращения
приводит к повышению дисперсности продуктов распада ау-
стенита и к размельчению структуры основной металлической
массы чугуна.
6) Влияние углерода и кремния. Из всех графи-
тизирующих элементов наибольшее значение имеют углерод и
кремний. Изменением их содержания практически добиваются
той или иной степени графитизации и желательной структуры
чугуна. Оба элемента в этом отношении действуют в одном
направлении. Поэтому с увеличением содержания одного из них
уменьшают содержание другого.
Графитизирующее действие углерода в сером чугуне объяс-
няется тем, что он увеличивает число зародышей, а по некото-
рым данным повышает температуру эвтектического превраще-
ния. Влияние же кремния определяется теми общими сообра-
жениями, которые были изложены выше.
Сравнивая рис. 1 и 34, можно видеть, что кремний перед-
вигает эвтектическую и эвтектоидную точки вверх и влево —
В Сторону более высоких температур и более низких концент-
раций углерода. Он уменьшает, таким образом, растворимости-
углерода в твердом и жидком растворах и способствует графи <1
тизации. Этому благоприятствует также то обстоятельство,
что кремний действует в стабильной системе интенсивнее, чем
в метастабильно й, вследствие чего разность концентраций уг-
лерода в растворе в равновесии с цементитом и графитом
Ск — Ch's' ) увеличивается с повышением содержания
кремния в чугуне.
? Повышение температуры эвтектического и эвтектоидного
превращений также благоприятствует графитизации. При
2 Этом параллельно с повышением температуры эвтектики по-
нижается температура ликвидуса, вследствие чего интервал
80
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
затвердевания с повышением содержания
кремния уменьшается, что весьма важно с точки зре-
ния литейных свойств чугуна.
Кремний сужает область 7-раствора, так что при некото-
ром, достаточно высоком, содержании этого элемента (9—
11%) происходит полное выклинивание 7-раствора, несмотря
Рис, 34. Диаграммы состояния Fe—С—Si сплавов при 2—2,3% Si;
1 — стабильное состояние; б мспстиб1тлы|Ог еентояпие, ], — жидкость %5 —
модификации железа, С — графит, К *— карбиды
на наличие углерода в чугуне, В этих условиях чугун не
претерпевает после затвердевания фазовых превращений и
характеризуется первичной ферритной структурой.
В простом чугуне обычного состава кремний образует
твердые растворы с основными структурными составляющими
и не дает новых фаз. При содержании кремния выше 2,5% появ-
ляется новая карбидная фаза, не темнеющая (не окисляющая-
ся) при нагреве. Эта фаза полностью вытесняет цементит при
7% Si. При еще более высоких содержаниях кремния (16—
18%) в чугуне образуется эвтектика из а-раствора и силици-
дов (FeSi). Так как межатомные силы связи кремния с железом
значительно превышают соответствующие силы связи с углеро-
дом, кремний преимущественно растворяется в
феррите,1 ослабляя силы связи железа с углеродом и спо-
собствуя, таким образом, диффузионной графитизации. Вместе
с тем кремний частично образует растворы и с цементитом,
уменьшая его устойчивость и способствуя распаду.
1 Кик видно из рис. 34, эвтектоидная температура Fe—С—Si спал bob
повышаетсн с увеличением содержания углерода в цементитной системе.
Объясняется это тем. что количество феррита при этом уменьшается к кон-
центрация кремния в нем повышается. Это свидетельствует о преимуществен-
ном растворении кремния в феррите.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна
81
Влияние углерода и кремния на графитизацию серого чу-
гуна иллюстрируется рис. Зо. С повышением содержания уг-
лерода и кремния количество
фитизации, увеличиваются,
но далеко не пропорцио-
нально содержанию графи-
тизирующего элемента. Рас-
сматривая с этой точки зре-
ния влияние кремния, мож-
но заметить два «критиче-
ских» содержания этого
элемента (рис. 36),
Первое из них соответст-
вует примерно 1,0—2,0% Si
и отличается скачкообраз-
ным повышением степени
графита, а также степень гра-
Кремний; %
ррафитизации и резким из-
менением вида излома: бе-
лый чугун становится серым.
При этом величина «крити-
ческого» содержания крем-
ния зависит от состава чу-
гуна, условий охлаждения и
наличия центров кристалли-
зации. Во всех случаях с
улучшением условий графи-
тизации «критическое» со-
держание кремния умень-
шается.
С дальнейшим повыше-
нием содержания кремния
сверх «критического» коли-
чество графита медленно
возрастает примерно до
3,0—3,5%, а затем начинает
падать. Это второе «крити-
ческое» содержание крем-
ния, соответствующее мак-
симальному содержанию
графита, получается вслед-
ствие уменьшения количест-
Рис. 36. Влияние кремния на коли-
честпо графита в чугуне
ва общего углерода с увели-
чением содержания крем-
ния. Параллельно с изменением степени графитизации элемен-
ты оказывают также влияние на форму и величину выделений
6 Зак. 605
82 Кристаллизация и структирообразованис в чугуне
графита. Как общее правило, можно отметить, что графитизи-
рующие элементы в большинстве случаев укрупняют выделения
графита. Именно так действуют кремний и, в особенности, угле-
род. Поэтому с уменьшением содержания углерода в сером
чугуне выделения графита постепенно размельчаются и &
конце концов приобретают меж дендритную форму. Такая
кристаллизация графита наступает при тем большем содержа-
нии углерода, чем больше скорость охлаждения отливки.
Так, например, согласно литературным данным, при 3% Si и
1 % Мп ® чугуне найдена была следующая зависимость:
С, о/0
2,3 2,5 2,7 2,9
Скорость охлаждения, при которой
образуется междендритный графит,
°С/сек. 0,16 0,60 1,05 1,50
Углерод, %
Рис. 37. Влияние
углерода на гра-
фитизацию ковко-
го чугуна
Благоприятное влияние углерода и кремния на графитиза-
цию сказывается не только в сером, по и в ковком чугуне
в процессе его отжига, хотя и отличается некоторыми осо-
бенностями.
В этом отношении интересно отметить, что углерод спо-
собствует главным образом второй стадии графитизации и почти
не влияет на первую (рис. 37). Это
объясняется тем, что с повышением со-
держания углерода в ковком чугуне, с од-
ной стороны, увеличивается число центров
кристаллизации, а с другой стороны, — ко-
личество структурно-свободных карбидов,
подлежащих распаду. В общем итоге угле-
род поэтому не оказывает влияния на вре-
мя первой стадии графитизации. Во второй
стадии графитизации количество зародышей
увеличивается с повышением содержания
общего углерода, так же, как в первой ста-
дии, но количество графитизирующегося уг-
лерода почти не изменяется. Поэтому повы-
шение содержания углерода резко умень-
шает время второй стадии графитизации.
В противоположность углероду, кремний
ускоряет обе стадии графитизации, но вто-
рую стадию сильнее, чем первую, как это видно из данных табл. 3.
Таким образом, кремний сокращает обе стадии графитиза-
ции, а углерод только вторую стадию. Поэтому естествепнг»
стремление литейщиков выплавлять ковкий чугун с максималь-
ным содержанием кремния. Однако с увеличением 'содержа-
ния кремния в ковком чугуне форма выделений углерода
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна
Таблица 3
Влияние кремния на время графитизации белого чугуна с 2,0—2,5% С
Время I стадии Времк прсме» Время >1 стадии Полное время Отношение
Si, % графитизации ж уточной ста» дин графнтн- гр'афитиэадии графитизации времени П ста- лии графитиза-
(Г = 9250). час заднн, час (.t - 720°), чае час, ции к 1 стадии
0,7 20 20 85 125 4,25
0,9 12 12 50 74 4,16
1,1 8 6,5 30 44,5 3,75
1.3 5 4,5 18 27,5 3,60
1,5 3,5 3,0 11 17,5 3,14
отжига становится менее благоприятной (разветвленной). Осо-
бенно неблагоприятным по форме оказывав т-
; с я углерод отжига в ковком чугуне, если в
' сырой отливке имеются выделения графита.
В этом случае графит кристаллизуется на имеющихся уже
выделениях и приобретает пластинчатую форму. Поэтому со-
держание кремния в чугуне не должно превосходить опреде-
ленного предела. Состав чугуна должен быть выбран таким
S образом, чтобы воспрепятствовать графитизации отливки
к во время охлаждения в форме.
Для подбора состава чугуна в зависимости от структуры
служат структурные диаграммы. Так как структура чугуна
является в первую очередь функцией химического состава, то
естественно построение структурных диаграмм, устанавливаю-
щих эту зависимость. Такая диаграмма была разработана Мау-
рером для цилиндрических образцов диаметром 50 мм (приве-
денная толщина )?= 12,5 мм)1 в зависимости от содержания
углерода и кремния (рис. 38).
В отличие от диаграмм состояний, рис. 38 дает представле-
ние о структуре отливок, вернее о структуре их основной
металической массы, в реальных условиях, отличных от равно-
весных.
Диаграмма эта делитс’я на 5 областей;
область / — белый чугун с перлита-цементитной структу-
рой,
область Па—-половинчатый чугун с перлита-цементите-
графитной структурой,
область П—серый чугун с иерлито-графитной структурой,
1 Маурер указывает, что его диаграмма пригодна для образцов диаметром
Зо мм, однако, согласно опытам автора, диаграмма эта в большей степени
применима для образцов диаметром 50 мм.
6*
S4
Кристаллизация и стриктг/рообразооание в чугуне
область Пв — серый чугун с перлито-феррито-графитной
структурой,
область Я/ —серый чугун с феррито-графитной структурой.
В общем виде уравнения граничных линий этой диаграммы
могут быть представлены в виде:
С + fiSi — const = 4,3%, (45)
Рис. 3S. Структурная диаграмма ЛАаурсра:
1 — левая rpaniuta перлитной, области для отливок с. тол-
щиной стенок около |0 !лм; 2 -_ прочая границ» перлнтнмй
области для отлнпок с толщиной стенок около 90 мм;
3 — общая перлнтпия область для отливок о различной
толщиной стенок от 10 до 00 им; 4 — область ходкого
чугуна
где л колеблется в
пределах от 1 65 до
0,47.
Следовательно,
кремний может дей-
ствовать сильнее
или слабее углерода
в зависимости от
структуры чугуна. В
частности, в перлит-
ном чугуне оба эле-
мента действуют с
одинаковой интен-
сивностью:
С + Si — const. (46)
В белом чугуне кремний действует примерно в 2 раза силь-
нее углерода:
С % 2Si== cons!, (47)
а в ферритном чугуне в 2 раза слабее:
С 4- 0,5 Si = const. (48)
Однако при проверке диаграммы оказалось, что прямоли-
нейная зависимость между углеродом и кремнием является
грубым приближением и допустима только для среднего диа-
пазона по углероду (2,5—3,5% С).
Так, например, при высоком содержании углерода (4,0—
4,5%) и низком содержании кремния (0,1— 0,2%) чугуны полу-
чаются белыми, в то время как по диаграмме Маурера Они
имеют феррито-графитную структуру. Поэтому позднее постро-
енные диаграммы характеризуются уже криволинейными гра-
ницами между структурными областями. Уравнения граничных
.пиний на этих диаграммах можно в качестве первого прибли-
жения представить в виде гипербол:
С Si = const. (49)
Построенная автором, согласно формулам, гиперболическая
диаграмма представлена на рис. 39.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна
85
При такой зависимости влияние каждого из элементов
будет тем больше, чем меньше его содержание и соответствен-
но больше содержание другого элемента. При средних содер-
жаниях этих элементов (% С = % Si) влияние их одинаково
по интенсивности н может определяться формулами (46—48).
Необходимо иметь в виду, что приведенные структурные диа-
граммы не учитывают ряда факторов, влияющих на графити-
Рис. 39. Гиперболи-
ческая структурная
диаграмма чугуна
для образцов диамет-
ром 30 мм (обозначе
вия областей на диа-
грамме те же, что на
рис. 38)
зацию чугуна; скорость охлаждения, способ плавки, происхож-
дение чугуна, температуру перегрева металла и т. д. Поэтому
ими можно пользоваться только с учетом условий, для кото-
рых они построены, в частности для отливок с определенной
приведенной толщиной. При этом для большей уверенности
в получении желательной структуры необходимо, по возможно-
сти, пользоваться составами, расположенными в центральных
частях соответствующих областей, а не на границах, отделяю-
щих одну область от другой.
в) Влияние марганца и серы. Как видно из рис1. 33,
марганец и сера, в противоположность углероду и кремнию,
препятствуют графитизации,
В тех пределах, в каких эти элементы встречаются обычно
в чугуне, они характеризуются полной растворимостью в жид-
ком состоянии [. При этом марганец увеличивает, а сера умепь-
1 При высоком содержании марганца в жидком чугуне возможно обра-
зование области несмешиваемости при 0.3% S. В этом случае уже в жидком
Оякни обособляется высокосер цвета я фаза.
86
Кристаллизация и структцрообразование в чц&цне
Рис. 40. Псевдобинарная
диаграмма Fc-C-~M.ii
сплавов при 3.0% С.
шает растворимость углерода (на ! % марганца содержание
углерода в чугуне увеличивается на 0,03%. на 1% серы —
уменьшайся на 0,5%).
Точно так же и в твердом состоянии марганец полностью
растворяется в чугуне, образуя растворы с ферритом и цемен-
титом без каких-либо особых структур-
ных составляющих (рис, 40). При этом
марганец резко понижает температуру
7—-а. -превращения, расширяет область
7-раствора и способствует размельчению
продуктов распада аустенита. При боль-
ших концентрациях марганца распад
т -раствора полностью предотвращается,
и получается стабильная аустенитная
структура без последующих превращений.
Образуя растворы с ферритом (аустени-
том) и цементитом, марганец несколько
усиливает межатомные связи железа с
углеродом и в некоторой мере препятст-
вует графитизации.
В противоположность марганцу, сера
характеризуется очень низкой раствори-
мостью как в феррите (аустените), так и
в цементите, так что при содержании
около 0,02% она образует уже самостоя-
тельную фазу — сульфиды, состав и
форма которых зависят от содержания марганца и других эле-
ментов в чугуне (рис. 41).
В отсутствии марганца и некоторых других элементов сера
образует в чугуне тройную эвтектику (0,17% С и 31,7% S),
которая затвердевает при 975° или еще ниже (в присутствии
других примесей) и имеет форму аллотриоморфных выделений
по границам зерен (рис. 41,а).
В присутствии же марганца, алюминия, церия, циркония,
магния, меди и других элементов в чугуне протекает рцдкция:
FeS + Me Fe 4- MeS, (50)
в результате чего образуются идиоморфные кристаллы MnS,
A12S3, Ce5S3, ZrS, MgS, CuaS и т. д. с высокой температурой плав-
ления. Однако вследствие обратимости реакции на практике
всегда имеет место одновременное существование сульфидов
железа и других элементов. Их температуру плавления зави-
сит от соотношения AfeS : FeS в растворе сульфидов.
Таким образом, в маломарганцовистом чугуне сера нахо-
дится главным образом в виде эвтектики или сульфидов,
богатых железом (Fe, Mn)S, а в высокомарганцовистом чугу-
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна В*
не — в виде твердых растворов, богатых марганцем (Мп, Fe) S.
Обычно соотношение между марганцем и серой в чугуне тако-
во, что обеспечивается образование твердых растворов, богатых
марганцем (для этого достаточно
отношения Мп : S 3,5—5,0), и
только в редких случаях обра-
зуется эвтектика.
Влияние серы на графитиза-
цию зависит от состава и формы
сульфидов в чугуне. Сера сильно
тормозит графитизацию, когда
находится в чугуне в виде эвтек-
тики или раствора, богатого же-
лезом.
В этом случае растворимость
ее в феррите (аустените) и це-
ментите достаточно велика, что-
бы увеличить силу < межатомных
связей железа с углеродом. По-
лагают также, что причина тор-
можения графитизации в этом
Случае лежит в расположении
.легкоплавкой эвтектики по гра-
ницам зерен, что создает пренит-
'Ъгвяе для диффузии углерода.
В тех же случаях, когда сера на-
. ходится в виде других сульфидов
Рис. 41. Сульфиды железа, мар-
ганца. циркония и титана:
л эвтектики Ге—FeS (Х500); б —» кри-
сталл сульфида №рго.тМй (Х500); в —пла-
стжпятыА кристалл су.тьфкда инркопкяг
пь'ререэчнэтиП; карблд тмина (Х]200); г—
кристаллы сульфида титана (X12QD)
, найример (Мн, Fe) S, ZrS и
Г. д., растворимость ес в структурных составляющих чугуна рез-
|КО понижается, и она не оказывает более влияния на графити-
|ЙЦию. Мало того, образующиеся при этом тугоплавкие кри-
\$Галлы выделяются еще в жидком чугуне и могут служить за-
ЙЙДЫшами для графитизации. В этих условиях сера не только
яф препятствует, но в некоторой мере даже способствует графи-
ЙЙации.
, Влияние марганца и серы на графитизацию серого чугуна,
ПО некоторым литературным данным, показано на рис, 42 и 43.
Влияние марганца не является интенсивным и заметно толь-
ко при высоком содержании (выше 1,5—2,0%). При этом до
0,3—0,5% Мп, а иногда н выше, наблюдается даже повыше-
ние степени графитизации. Это объясняется образованием MnS,
МпО и других Соединений, нейтрализующих вредное влияние
«ри и кислорода или играющих роль зародышей в чугуне.
С дальнейшим повышением содержания марганца положитель-
ное влияние его на графитизацию постепенно переходит в отри-
цательное, в особенности в условиях, неблагоприятных для гра-
в Кристаллизация и структррообразодание в чугуне
Рис. 42. Влияние мар-
ганца на графитизацию
фятизации (малое содержание- углерода
и кремния, большая скорость охлажде-
ния и т. Д-).
Влияние серы оказывается значитель-
но сильнее. Из рис. 43 видно, что отри-
цательное влияние серы на графитиза-
цию повышается с понижением количе-
ства углерода и кремния и чугуне и с
увеличением скорости охлаждения. Вме-
сте с тем увеличиваются резкость и вне-
запность перехода серого излома в бе-
лый, причем этот переход завершается
яри все меньшем содержании серы.
Таким образом, сера оказывается, с точ-
ки зрения отбеливания чугуна, тем опас-
нее, чем менее благоприятны условия
графитизации. Таким же оказывается
влияние марганца и серы па графитиза-
цию ковкого чугуна, только отрицатель-
ное влияние этих элементов сказывается
серого чугуна
Рис. 43. Влияние серы на графитизацию серого
чугуна в зависимости от содержания углерода
и кремния и скорости охлаждения;
I — 3.0'У Si; И — а,О"А> Si; ]Ц ~ 1.0",'с SV IV „
0.5*/« S1
еще сильнее, чем в сером чугуне, так как
условия графитизации в этом
в большей
затруднены и опас-
нее во второй ста-
дии, чем в первой
стадии графитиза-
ции (рис. 44).
Более сильное
торможение второй
стадии графитизации
белого чугуна, ха-
рактерное для мар-
ганца, усугубляется
тем, что благодаря
понижению критиче-
ской точки с повы-
шением содержания
марганца, графити-
зацию второй ста-
дии приходится вс-
случае
степени
сти при более низ-
ких температурах.
Еще резче сказы-
вается во второй
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 89
стадии отрицательное влияние серы. Поэтому технические усло-
вия предписывали ранее содержание серы в ферритном ковком
чугуне не более 0,04—0,06%, Однако благоприятное влияние
марганца дало возможность повысить предельно допустимое со-
держание серы в ковком чугуне. Для этого необходимо, чтобы
в чугуне был правильный баланс между марганцем и серой. Из
уравнения константы равновесия реакции (50) можно заклю-
чить, что:
;:MnS] [Mnf [S]4nS [Мп]
------=----------- ИЛИ - •- —---------—
[FeS| К [S]FeS К
Таким образом, коли-
чество серы, связанное в
виде MnS, пропорцио-
нально Концентрации мар-
ганца в металле. Поэто-
му, чем больше содержа-
ние марганца в чугуне,
тем в большей степени
нейтрализуется вредное
влияние серы на графи-
тизацию. Однако эта ней-
трализация влияния серы
связана с увеличением
содержания свободного
марганца в металле, что,
в свою очередь, имеет
своим следствием некото-
Рис. 44, Влияние марганца и серы из гра>
фитизацню ковкого чугуна
рое, хотя и меньшее по величине, торможение графитизации.
Отсюда вполне естественно, что вначале, с увеличением содер-
жания марганца в сернистом чугуне, степень графитизации
повышается, а затем, достигнув максимума, падает. Чем больше
серы в чугуне, тем больше должно быть содержание марганца,
чтобы достигнуть максимума графитизации,
В литературе встречается много формул, определяющих не-
обходимое соотношение между марганцем и серой для получе-
ния максимума графитизации. В общем виде их можно пред-
ставить следующим образом:
Мп = /?$ (например, Мп =3,35), (51)
Мп = uS -ф b (например, Мп = 1,73 4-0,3). (52)
Итак, при графитизации как ковкого, так в серого чугуна
имеет значение не абсолютное содержание марганца и серы, а
их взаимное отношение. Величина этого отношения для вагра-
ночного чугуна должна составлять около 3,3. При этом необ-
ходимо помнить, что недостаток марганца значительно опаснее
90
Кристаллизация и структцрообразование в чугуне
его избытка. При низком содержании серы указанное отноше-
ние оказывается уже недостаточным для получения максиму-
ма графитизации. В этом случае правильнее пользоваться фор-
мулой (52), согласно которой отношение Мп: S увеличивается
а
Рис. 45. Влияние отношения Мп : S на 4юрму углерода отжига в ковком
чугуне:
а — Мп : S < 2,0 СХ600); в — Мп : S - 3,5f'X200)
с уменьшением содержания серы в
чугуне
как
это подтверждено опытами С. Л. Салтыкова.
Немалое влияние оказывают содержание марганца и серы
и их отношение на форму графита в чугуне. Марганец не-
сколько размельчает, а сера • (по крайней мере до некоторого
предела, зависящего от содержания водорода) укрупняет вы-
деления графита. Установлено также, что высокое содержание
серы в чугуне препятствует кристаллизации графита в глобу-
лярной форме.
В ковком чугуне форма углерода отжига весьма отчетливо
зависит от отношения Мп: S. При низких значениях этого от-
ношения углерод отжига кристаллизуется в виде очень плот-
ных образований, при высоком же отношении Мп : S выделяет-
ся в разрыхленной форме (рне. 45). Однако механизм влияния
серы до сих пор еще не выяснен.
г) Влияние фосфора, Подобно кремнию, фосфор, об-
разуя однородный раствор с жидким чугуном, понижает рас-
творимость углерода в нем и передвигает эвтектическую точку
влево —в сторону более низкой концентрации углерода. Вме-
сте с тем, в противоположность кремнию, фосфор понижает
эвтектическую температуру и, как это следует из некоторых
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 91
данных, почти не влияет на интервал затвердева-
ния в чугуне (рис. 46).
В твердом чугуне фосфор характеризуется весьма ограни-
ченной растворимостью, понижающейся с уменьшением тем-
пературы и с увеличением содержания
(при 3,5% С в чугуне максимальная рас-
творимость фосфора составляет 0,3%,
в то время как в чистых сплавах с же-
лезом она составляет 1,2%). При содер-
жании фосфора сверх предела раствори-
мости 1 в чугуне образуется новая струк-
турная составляющая — тройная фос-
фндная эвтектика (5,89% Р, 1,96% С и
91,15% Fe), состоящая из фосфида
(Fe3P), цементита (Fe3C) и тройного ра-
створа (Fe—С—Р) и плавящаяся при
953°. В сером чугуне, благодаря процес-
су графитизации, цементит может частич-
но или полностью распасться — тогда
тройная эвтектика кажется двойной.
Что касается формы выделений фос-
фидпой эвтектики, то, в зависимости от
условий кристаллизации и содержания
фосфора в чугуне, она образуется в виде
отдельных гнезд или сетки (рис. 47),
располагающихся по границам зерен
углерода в металле
Рис, 46. Влияние фос-
фора на интервал за-
твердевания чугуна с
содержанием 2.65% С:
2.25% Si:
I — простей чугун; 2 — никеле*
м’алчвмноп.’.гЛ чугун (t.75*/* Ni,
0,75»/( Мо).
основного металла.
•, Образуя с ферритом твердый раствор небольшой концент-
рации, фосфор несколько ослабляет межатомные связи железа
Ь углеродом и в слабой степени способствует графитизации
jb особенности при высоких температурах). При более низких
Флинературах, например при отжиге ковкого чугуна, влияние
фосфора на графитизацию практически не сказывается. Сле-
дует только отметить, что при высоком содержании фосфора
(больше 0,3%) и высокой температуре отжига возможно полу-
чбйие свободного углерода в пластинчатой форме вследствие
расплавления в этих условиях фосфидпой эвтектики и кристал-
лизации графита через жидкий раствор.
Д)Вли)яцие легирующих элементов. Влияние
легирующих элементов на кристаллизацию и структуру чугуна
весьма разнообразно в соответствии с разнообразными свой-
1 Следует иметь в виду большую склонность фосфора к ликвации, кого-
рая делает возможным появление фосфидпой эвтектики при значительно
меньших содержаниях фосфора (0,15%), чем эта соответствует равновесным
Условиям. Этому способствует также присутствие в растворе других элемен-
тов И увеличение скорости охлаждения отливок.
92
Кристаллизация и структурс/образование в чугуне
ствами и строением этих элементов. Классифицируя легирую-
щие элементы в отношении их распределения между структур-
ными составляющими чугуна, можно наметить следующие три
группы;
1) элементы, образующие преимущественно (пли даже ис-
ключительно) растворы с ферритом (Ni, Си, Со, отчасти А1);
a б
Рис. 47. Фосфидная эвтектика в сером чугуне:
а — гисадаобрдэмое расположение фосфпщю.и эвтектики; б -- сетчатое расположение
фоефидной ЭЛТСКТНКЦ
2) элементы, распределяющиеся в том или ином отношении
можду ферритом, цементитом и специальными фазами (Ст, Мо,
W, V и т. д.);
3) элементы, образующие главным образом специальные
фазы — карбиды, нитриды, сульфиды (Ti, Zr, Nb и т. д.).
Элементы первой группы, образуя растворы с ферритом
(аустенитом), ослабляют связи железа с углеродом и си о
с о б ст в у ют графитизации. Одновременно они умень-
шают в той или иной степени растворимость углерода в жид-
ком чугуне и перемещают эвтектическую точку влево. Поэтому
с повышением содержания этих элементов в чугуне наблю-
дается сначала увеличение, а затем уменьшение количества
графита (рис. 48; ср. влияние кремния, рис. 36).
Характерной особенностью влияния никеля является то об-
стоятельство, что он способствует графитизации только струк-
турно-свободных карбидов. Во второй стадии графитизации ни-
кель, вследствие понижения критической температуры, несколь-
ко задерживает распад эвтектоидных карбидов.
Еще более своеобразно влияние алюминия. Как видно из
рис. 43, графитизация чугуна резко увеличивается до 4% А!,
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна ^3
затем столь же резко падает, так что при 8—16% А| чугун
затвердевает белым. С дальнейшим повышением концентрации
алюминия графитизация вновь увеличивается, достигая второ-
го максимума около 23%, и затем снова падает, так что при
29% Л1 чугиун опить получается белым. Такое своеобразное
влияние алюминия па графитизацию остается пока без надле-
жащего объяснения. Можно предполагать, что в зависимости
от концентрации алюминии об-
разует преимущественно то
растворы с железом, то соеди-
нения с углеродом (Al.tC3),
так как в ту или другую сто-
рону изменяется соотношение
межатомных связей железа
с углеродом.
Подобно никелю, но в бо-
лее слабой степени, действует
на графитизацию медь:
Рис. 48. Влияние никеля п алюми-
ния на копии устно графита в чугуне
Си. % 0,0 1,7 3,3 4,6
Стеиень графи- 6,0 0,6 0,9 0,9
тнзаиии
При этом благоприятное влияние меди сказывается только
до предела растворимости (3,5%), выше которой медь несколь-
ко препятствует графитизации. С понижением температуры рас-
творимость меди в аустените и феррите понижается и достигает
0,35% Си при 650° и 0,2% при нормальной температуре 1. В свя-
зи с этим медь, будучи вне раствора, задерживает распад пер-
лита.
Благоприятное влияние меди при производстве ковкого чу-
гуна проявляется благодаря размельчению углерода отжига не
только в первой, но и во второй стадии графитизации:
Си, %
1,3 1,8 3,0
Относительное впемя первой стадии
графитизации. %
Отпогителыпе восмя второй стадии
графитизации. %
1С0 65 50 30
100 50 40 35
Что касается кобальта, то его влияние на графитизацию,
*отя и благоприятно, ио еше более слабо, чем влияние меди,
что находится в полном соответствии с расположением эле-
ментов па рис. 33.
1 По вопросу о раствор и мости меди п твердом состоянии до сих пор
существуют противоречия в литературе, так как медь может находиться пре
раствора в столь дисперсном состоянии, что се не удается обнаружить
Обычным микроскопическим методом.
94 Кристаллизация и струкгурообразование в чугуне.
Элементы второй группы образуют растворы как с ферри-
том (аустенитом), так и с цементитом, например;
(Ге, Сг)3С, (Fe, Мо)3С, (Fe, W)3C, (Fe, V)3C •
При превышении соответствующих пределов растворимо-
сти элементов в цементите образуются уже специальные фа-
зы-карбиды типа интерметаллических соединений или фаз
внедрения:
(Сг, Fe),C3. (Сг, ре)*С> <Мо’ Fe^C’ Мск-С’ W*C’ WC> VC-
Во всех случаях распределение этих элементов между
структурными составляющими таково, что они растворяются
преимущественно в карбидах, так как межатомные связи эле-
ментов с углеродом преобладают над соответствующими свя-
зями с железом. Поэтому все элементы этой группы препят-
ствуют графитизации. Особенно интенсивно в этом
отношении действуют хром и ванадий. Обычно достаточно 2—
3% Сг или 1,0% V, чтобы чугун при нормальном содержании
кремния (1,5—2,0%) получился белым:
Увеличение Сг, % 0,05 0,4 0,8 1,0 1,8 2,6
Увеличение Ccg, % 0,27 0,36 0,57 0,58 1,22 Отбел
Молибден же, несмотря на то, что образует прочные кар-
биды, не так сильно тормозит процесс графитизации, в особен-
ности при небольших содержаниях:
Увеличение Мо, % 0,01 1,2 1,6 2,1 3,0
Увеличение Ссв, % 0,14 0,15 0,24 0,39 Отбел
Это объясняется тем, что молибден в указанных условиях
одновременно характеризуется большим сродством к железу.
Таким же образом, согласно исследованиям автора
и М. П. Симановского, действует вольфрам, что опровергает
долго господствовавшее в литературе мнение, будто вольфрам
способствует графитизации.
Из остальных элементов этой группы, также препятствую-
щих графитизации, но сравнительно редко встречающихся
в чугуине, следует отметить бор и теллур. В опытах автора,
проведенных совместно с С. О. Витензон, полный отбел в чугуне
с 2,8% Si получался при 0,06% В, а в чугуне с 3,6% Si —при
0,15% В. Большое влияние оказывает также теллур. Присадка
его в количестве около 0,05% достаточна, чтобы значительно,
и нпо!да и полностью затормозить графитизацию в тонкостен-
ных отливках обычного состава.
Так же сильно препятствуют графитизации церий и магний,
однако механизм их влияния еще не выяснен.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 9Е>
Все элементы этой группы (Cr, V, Се, Те и т. д.), препятст-
вующие графитизации серого чугуна, оказывают такое же
влияние при отжиге ковкого чугуна и являются, следователь-
но, опасными и нежелательными. Поэтому они допускаются
в ферритном ковком чугуне н очень ограниченных размерах
(например, хром в пределах до 0,06—0,08%)• В то же время
Рис. 49. Специальные карбиды титана, циркония
и ванадия:
а — кубические кристаллы TiC наряду с гексагональным сульфидом
тктягга я марганца (X120U)t б — кристаллы растноров TiC я VC
(XIOOJ; в •— кубически А кристалл карбида циркотшя, находящийся
внутри кубического кристалла карбида титана (Х1200),
следует иметь в виду, что некоторые из этих элементов, напри-
мер бор, будучи применены в очень малых количествах
(0,001%) и действуя уже как модификаторы, способствуют
графитизации ковкого чугуна.
Наконец,,элементы третьей группы (Ti, Zr, Nb), образующие,
главным образом, специальные карбиды (рис. 49) или другие
фазы, служащие зародышами для графита, способствуют
графитизации, несмотря на то, что являются активными
карбидообразующими элементами. При этом они в некоторой
(очень небольшой) степени растворимы -также в феррите и це-
ментите, где естественно укрепляют межатомные связи железа
с углеродом. Поэтому, в зависимости от распределения элементов
между ферритом, цементитом и специальными фазами, влияние
их на графитизацию может быть весьма благоприятным (Ti),
слабым (Zr) или даже нейтральным (Nb). В качестве примера
ниже приводится влияние титана:
Ti. %
СС|( (при 1 ,7 % St), %
Сев ( . 0.9 % SI), %
0 0Щ5 0,10 0,1
0,8 0,8 0,8 0,6
1,0 0,9 0,9 0,8
В связи с таким механизмом действия этих элементов влия-
ние их проявляется, главным образом, в процессе затвердева-
ния чугуна, когда специальные карбиды или други.? фазы иг-
рают роль зародышей. Поэтому присадка титана в качестве
96 Кристаллизация и структурообразование в чугуне
ИН-
в ЭТОМ ОТ-
действуют
ирепятст-
графитиза-
легирующего элемента для ковкого чугуна должна произво-
диться с осторожностью, ввиду опасности выделения графита
в сырых отливках, и не должна превосходить 0,1 0,2%.
Легирующие элементы оказывают влияние также на форму
графита. Как общее правило, можно отметить, что большинст-
во из них размель-
чает выделения гра-
фита. Особенно
телсцвпо
ношении
элементы,
вующие
ции (Ст, V, Мо).
Элементы же, спо-
собствующие графи-
тизации, оказывают
благоприятное вли-
яние па форму гра-
фита только в том
случае, когда па-
раллельно с присад-
кой легирующих
Содео'жапцг элементов, %
Рис. 50. Влияние примесей па величину эвтек-
тического зерна в сером чугуне.
элементов соответственно уменьшают содержание кремния или
углерода. При этом влияние никеля своеобразно в том отноше-
нии, что при высоких содержаниях он способствует кристаллиза-
ции графита в глобулярной форме. Таким же образом действует
церий и магний при малых содержаниях. Титан и алюминий,
наоборот, усиливают тенденцию к образованию междендрптного
графита. Медь размельчает графит только при высоком содер-
жании— выше растворимости (3,5%), однако в ковком чугуне
она благоприятно действует и при низком содержании. Меха-
низм этого влияния еще не достаточно изучен.
Легирующие элементы оказывают влияние и на структуру
основной металлической массы.
Как показал К. П. Бунин, большинство легирующих элемен-
тов (титан, молибден, алюминий, а отчасти и никель) размель-
чает эвтектическое зерно, и только медь и отчасти фосфор дей-
ствуют в обратном направлении (рис. 50),
Еще резче проявляется влияние легирующих элементов
в процессе вторичной кристаллизации. Почти все легирующие
элементы, образующие твердые растворы с аустенитом, тормо-
зят 7 ••• а-превращение вследствие понижения температуры
или скорости процесса. Как показывают литературные дан-
ные, большинство легирующих элементов, в противоположность
углероду и кремнию, замедляет поэтому процесс превращения
Влияние разных, факторов на кристаллизацию и структуру нугуна
(рис. 51) в верхней области изотермической диаграммы распа-
да аустенита (Дг') и благодаря этому размельчает структуру
основной металлической массы чугуна.
Легирующие элементы способствуют также получению
игольчатого троостита в чугуне, образующегося при превра-
щении Лг" (около 400°). Это находится в соответствии с изме-
нением типа диаграм-
мы изотермического
превращения в легиро-
ванном чугуне. Почти
все легирующие эле-
менты, например моли-
бден, никель, хром, не
только передвигают
кривые превращения
вправо, но и услож-
няют их. При этом,
как показывают лите-
ратурные данные (рис.
52), получается диаг-
Свверзкание злшентиА, %
Рис. 51. Влияние элементов на время пре-
вращения аустенита в чугуне при 650°.
рамма с двумя зонами ускоренного превращения аустенита по-
добно тому, как это имеет место в некоторых сортах легирован-
ной стали.
Влияние элементов на температуру h скорость превращения Яг" не всег-
да аналогично соответствующему влиянию на 4г'. Почти все элементы за-
медляют этот процесс, ио интенсивнее всех действует углерод (в растворе).
На температуру превращения 4г" наибольшее влияние оказывают никель
К Марганец, передвигая эту область в сторону более низких температур.
Рис. 52. Диаграмма изотермического распада
аустеинта в никельмолибденовом чугуне,
7 2«х. 803
Что касается
мартенситного прев-
ращения, то леги-
рование сравнитель-
но мало влияет на
положение этой об-
ласти, но, замедляя
скорость превраще-
ния, способствует
получению мартен-
ситной структуры в
чугуне при сравни-
тельно небольших
скоростях охлажде-
ния.
В связи с этим опрсде-
ляется влияние элементов
ва критическую скорость
98
Кристаллизация и структураобразование в чугуне
закалки. Углерод, ускоряя процесс превращения в верхней зоне изотерми-
ческого распада аустенита (Аг'), увеличивает критическую скорость образо-
вания мартенсита в чугуне и уменьшает прокали в лемости. В том же напра-
влении, хотя и менее интенсивно, действует и кремний. Легирующие же
элементы (за исключением кобальта), наоборот, уменьшают критическую
скорость образования мартенсита. Поэтому, понижая содержание углерода
н кремния и повышая содержание марганца, никели, хрома и молибдена,
можно способствовать получению мартенситной структуры.
Наконец, легируя чугун элементами, понижающими темпе-
ратуру превращения и расширяющими область 7-раствора,
можно полностью подавить процесс v — я-превращения и по-
лучить чугун с аустенитной структурой. В этом направлении
подобно марганцу действуют также никель и медь.
е) Влияние газов и их соединений. Кислород,
азот и водород являются такими же постоянными примесями
в чугуне, как и кремний, марганец, сера и фосфор, с той только
разницей, что они находятся в незначительных количествах
и, как правило, не контролируются (главным образом вследствие
отсутствия достоверной методики). Влияние газов очень мало
изучено, хотя значение их несомненно велико. Максимальное
содержание газов в чугуне может быть оценено следующим
образом:
Кислород, % Дзот, % Водород, %
0,05 0,01 0,002
Рпс, 53. Кубический кри-
сталл цнанонитрнда ти-
тана (X 200).
Однако значение имеет не столько
абсолютное содержание этих элемен-
тов, сколько их состояние. Значитель-
ная часть газов образует соединения с
теми или иными элементами, другая
часть — газовые включения, осталь-
ное— растворы со структурными со-
ставляющими чугуна. Чаще всего
встречаются окислы, главным образом
их сложные соединения (силикаты,
алюминаты и т. д.), реже нитриды
(рис. 53) и в очень редких случаях—
гидриды. В зависимости от формы и
состава этих соединений в растворов
газы могут иметь различное влияние
на процесс кристаллизации чугуна, что
приводит к противоречиям по данному
вопросу в литературе.
Наибольший интерес представляет
влияние водорода, однако оно до сих пор окончательно не выяс-
нено. Большинство исследований показывает, что при содержа-
нии водорода в U,0001 % происходит уже заметная стабилизация
карбидов в сером чугуне, в особенности в присутствии серы,
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна
99
В опытах Шварца ц др, также обнаружено заметное тор-
можение графитизации ковкого чугуна в присутствии водорода:
И,, %, 0,60020—0,00046 0,00050—0,00060 0,00064—0,00110.
СГр после
4-часового
отжига при
U00’, % 0,49 0,21 0.12
Другие же исследования (однако менее достоверные) пока-
зывают положительное влияние водорода на графитизацию и
увеличение им тенденции к образованию пластинчатого графи-
та. Точно так же и кислороду приписывается то благоприятная,
то отрицательная роль в процессе графитизации.' Причина этих
противоречий лежит в разнообразии тех соединений и раство-
ров, в виде которых газы находятся в чугуне. При образовании
некоторых прочных соединений с соответствующей структурой
и высокой температурой плавления кислород и водород могут
служить интенсивными графитизаторами. При образовании же
растворов с ферритом (аустенитом) и карбидами, а также слож-
ных легкоплавких соединений располагающихся по границам зе-
рен или адсорбирующихся на поверхности растущего графита,
эти элементы, наоборот, препятствуют графитизации.
Что касается азота, то его влияние изучено еще в меньшей
степени, но по всей видимости оно незначительно.
ж) Количественная оценка влияния элемен-
г о*в на кристаллизацию чугуна. Качественное и ко-
личественное влияние элементов на основные критические точ-
ки диаграммы Fe — С-сплавов (С, Е и S на рис. 1) показано
в табл. 4
Из этой таблицы видно, что из всех элементов только марга-
нец, никель и медь понижают температуру перлитного превра-
щения; все остальные элементы в большей или меньшей степе-
ни ее повышают.
На температуры эвтектического и эвтектоидного превраще-
ний элементы действуют в одну, сторону, ио при этом влияние
элементов на температуру эвтектоида выражается с большей
интенсивностью, чем на температуру эвтектики.
Приведенные в табл. 4 данные характеризуют ориентиро-
вочно влияние элементов в тройных системах. Поэтому их сов-
местное количественное влияние в промышленном чугуне
может отличаться от цифр табл. 4. Полагая общее влияние при-
сутствующих в чугуне элементов равным сумме влияний
1 Цифры табл. 4 являются ориентировочными, ввиду значительной зави-
симости влияния элементов от их концентрации (в таблице даны значения
ДЛЯ небольших концентраций). Знак плюс (-I-) означает повышение, знак
минус ( ) Понижение, знак (0) — отсутствие влияния.
7*
100
Кристаллизация и стрцктцрооёразование в чугуне
Таблица 4
Влияние 1% элементов на критические точки диаграммы состояния
Fe—С силавоа
Эл,? иемгы ails и С •< ’ 1 1 ТКН я :•} м с г! о и i г ф ie.iiп*1 рр i v- ръз. °C /•• п f' t'Cl.'p jlll||-.| yi ЛП : .да % ТиЧКН к н Л’'
и:ше(1Р|[|гС чем* ператур^, °C ИЭМС91?НГ|С со- М' Pencil Я yi.il:- piUiJ, % ;|.'1.м<'|,ецне it'Miiepiny- ры h °C кзм и iienr ic CIMIU >КЛ1|Т1Я уг^ер^да
К рем fin и +5 -0,3 +5 -0,10 4(20-30) -(0 lo- ll, 15)
Марганец . 2 —0.015 __2 — —20 —0, Оэ
Фосфор . —35 —0,3 —35 -о, 1 + 4
Сера . . 0 0 0 0 0 0
Никель , . + —0.(4 Й — 0 us —30 -0 08
Хром . . . Медь . . . + ' —0,07 —0,05 43 —0,05
0 0 0 0 — 10 —
Алюминии . + —0,10 + + 4-1U -0,02
отдельных его составляющих, можно на основании табл. 4 дать
следующие приближенные формулы для практического опре-
деления состава эвтектики и эвтектоида и температур соответ-
ствующих превращении в системе.
Э в т с к т и ч е с к а я т е м и е р а т у р а 1
7\, = 1130 -|- 5Sj — 35Р - -2Мн + 4Сг *(53)
7С, = 1135 н- 5Si — 35Р—2Мп ф-4Сг (53а)
Содержание углерода в эвтектике
Сс = 4,3—0,3 (Si ф- Р) — 0,04 Ni — 0,07 Сг (54)
Сс. - 4,25—0,3 (Si ф- Р) — 0,04 \i — 0,07 Сг (54а)
Эвтектоидная температура
Т, = 723 + 20S1 ф- 8Сг — 30X1 — 20 Мп—1 ОСн (55)
TSi =.- 735 -р 30Si -J- 8Cr — 30\i — 20Mn —lOCu (55a)
Содержание у’глеррд'а в эвтектоиде
Cs. 0,80—0. i I Si — 0,08 NI - 0,05 (Cr 4- Mn) (56)
C?1 = 0,69-0,15Si -0,08Ni 0,05 (Cr 4- Mu) (56a)
I npHliCTClfHMC фс>РМУЛ!.1 определяют критические ТОЧКИ При На Гр СИЯНИИ.
Соотпетстнуютие точки при оулажденил располагаются ниже.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структур,) чугуна Ю1
В этих формулах принято по внимание влияние только то?;
элементов, которые обычно встречаются в чугуне в количсст
вах, достаточных для заметного изменения положения крити-
ческих точек (Si, Мп, р( Ni, Си и Ст). На основе этих данных
рассчитано положение критических точек для некоторых харак-
тер шях составов чугуна (табл. 5).
Т а блина 5
Положение эвтектических и эвтектоидных точек для некоторых составов чугуна
fl аименованце Обычный из- шиииЫ ft чу с уя Качественный чугун д,]Я Кру- пных О'МИНС|К Чугун для художествен- ных ОТёППЮК Ковкий чугун
Состав металла,
С . , 3 5 2,9 3,5 2,5
Si . . 2,0 1,2 3.0 1,2
Мп . 0,6 0,9 0,5 0,3
Р . . 0,5 0,3 1,2 0,15
Положение критических
го чек:
т(. -с 1123 1126 1103 1131
Эвтектик.! Т(, 6С Сг % 1128 3,55 1131 3,85 11(8 3,01 1 136 3.0
4 Ч;< " и 3,50 3,80 2,1 0 3,f5
t.s °с: 751 729 713 741
ЗвтеЕстсид "% °с 783 753 1 8с5 765
(.% °, 0 0,57 ; 0,03 0,43 0,67
[(%.. о.'п 0,35 1 0,46 0,21 0,49
Из табл. 5 видно, как сильно меняется положение крити-
ческих точек чхтупа. Так, например, чугун, применяющийся для
тонких художественных отливок с большим содержанием крем-
ния и фосфора, является зазвтектическим уже при содержании
углерода выше 3,0% и в нем может выделиться первичный гра-
фит.
Положение чугуна в отношении эвтектики, или так назы-
ваемая «степень эвтсктичкости», имеет большое значение
и важно не только с точки зрения литейных свойств чугуна, по
и механических. Степень эг/гектичпостп чугуна может быть оп-
ределена процентным содержанием эвтектических составляю-
щих в структуре, а именно:
. юо%. (57)
Сс <%
102
Кристаллизация и стрмат/рообразование в чугуне
Если ограничиться учетом влияния одного только кремния
и принять концентрацию углерода в насыщенном аустените
0^2,6—0,11 Si, то формулу (57) можно представить в сле-
дующем виде:
5' = ____с-2.0 + 0,11 Si-----100 = С + О.п ^-2Д) _ |00. (58)
4,25—0,3SI — 2,0 + 0,11 Si 2,25—0,19 51
Более простые способы оценки степени эвтекТинности за-
ключаются в определении соотношения или разности между
содержанием углерода в чугуне (С) и его содержанием в эв-
тектике (Сс):
£ = , (59)
sf = Ct-c. (60)
Если и здесь для простоты принять влияние одного только
кремния, то формулы (59) и (60) преобразуются следующим
образом:
5? = Сс— С = 4,25—0,3 Si— С = 4,25 —(С ф-0,3 Si). (60а)
Сумма С + 0.3 Si, или несколько полнее С + 0,3 (Si Ц- Р),
характеризует общее эквивалентное (или «приведенное»)
содержание углерода (С9), учитывающее влияние не только уг-
лерода, но и других элементов, на степень эвтектичности чугу-
на. Если эта сумма составляет 4,25%, то чугун является эвтек-
тическим, если меньше 4,25%, то чугун—доэвтектический, если
больше — заэвтектический. Определенная указанными способами
степень эвтектичности (S',, или 5’'э)или эквивалентное со-
держание углерода (углеродный эквивалент Сэ), часто приме-
няются для анализа механических и других свойств чугуна.
Количественная оценка влияния элементов на графитиза-
цию чугуна также может быть сделана на основе средних коэ-
финиентов (Кг). Однако дать коэфициенты, пригодные для всех
случаев практики, пока не представляется возможным. Преж-
де всего необходимо иметь в виду, что действие элементов не
является равномерным. Уже указывалось, что кремний при не-
которой концентрации внезапно делает чугун серым, Сера при
достижении определенной величины внезапно отбеливает чу-
гун, Таким образом, во многих случаях имеет место скачко-
образное, а не равномерное влияние элементов на графитиза-
цию.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна ЮЗ
Далее необходимо отметить, что действие элемента на гра-
фитизацию зависит не только от его концентрации, по и от
многих других факторов (содержание других элементов, ско-
рость охлаждения и т. д.)_ Например, торможение графитиза-
ции серей происходит тем сильнее, чем в меныпей степени чу-
гун склонен к графитообразованию. Рлияние никели, кремния,
углерода и других элементов на графитизацию чугунных отли-
вок зависит от всех прочих условий графитообразования, в том
числе от состава чугуна и скорости охлаждения.
В качестве примера в табл. 6 приведены некоторые литера-
турные данные по относительному влиянию никеля и хрома
в зависимости от содержания углерода и толщины отливок.
Таблица в
Коэфкцисюы графитизации для никеля и хрома в зависимости от содержания
углерода в чугуне и диаметра образца
С, % Сг : bi j Ч : S' Л । ; Сг
ДИ,1МСтр, лии
30 20 10 6 30 20 10 б —
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0.51 п,60 0.68 0,75 0,81 0,61 0,72 0.81 0 88 0,94 0,82 0,92 1,01 1,09 1,05 1,15 1,22 1,68 2,25 Л 90 3,66 4,55 1,94 2,62 3,41 4,31 5,50 3,10 4,05 5,10 6,37 4,60 5 95 7,15 3,2 3.7 4,3 5 0 5,8
Влияние меди, титана и других графитизирующих элемен-
тов в сильной степени зависит от содержания кремния: чем
меньше содержание кремния, тем больше действие этих эле-
ментов. Кроме того, элементы могут влиять различно, а иногда
и противоположно при затвердевании чугуна и н твердом состо-
янии, в первой и во второй стадиях. Поэтому трудно опреде-
лить в общем виде зависимость степени графитизации чугуна
от его состава, тем более, что суммарное действие элементов
вовсе не равно сумме влияний отдельных составляющих. Од-
нако в качестве первого приближения можно пользоваться
следующими средними коэфициентами («,).
Эле-A] Si С Ti Ni Си Р Nb W Мп Mo S Сг V
менг
*г +3,0+1,0+1,0+0,4+0.44-0,2+0,1 0,0—0,1—0.2—0,4-1,0—1,2—2,0
На основе этих коэфициентов можно составить ориентиро-
вочные формулы, определяющие графитизирующую способность
чУгуна в зависимости от его состава, приняв во внимание
104
Кристаллизация и стрцктцрообразованив в чугуне
только наиболее часто встречающиеся в отливках элементы
в обычных концентрациях. Эта графитизирующая способность
может быть определена какой-то условной константой (Кг), при
расчете которой влияние какого-либо элемента (например,
кремния) принято за единицу. Такне формулы могут быть
представлены в следующем виде:
КГ=С [Si — 0,2(Мп — 3,3S) + О, I Р + 0,4 Ni — 1,2 Cr] = const, (61)
= с
Кг
0,1 Р + 0,4 Ni— 1,2 Сг
= const.
(62)
Из построения формул ясно, что уравнение (61) дано для
случаев, когда имеется избыток марганца (Мп > 3,3 S), а урав-
нение (62)—для случаев избытка серы (Mn<3,3 S). В фор-
мулах принято, что влияние углерода и кремния определяется
гиперболической зависимостью (49). Влияние остальных элемен-
тов учтено в соответствии с их средними коэфициенгами гра-
фитизации. Подобные же формулы можно составить на осно-
ве суммы углерода и кремния (46, 47 и 48).
Величина константы (К,) в уравнениях (61) и (62) зависит-
от условий производства и желательной степени графитизации.
Поэтому значение ее для разных отливок должно быть опре-
делено на основе практических данных. Если известна констан-
та графитизации, то формулы (61) и (62) дают возможность
рассчитать необходимое изменение одного элемента (напри-
мер, кремния) при изменении содержания других элементов
(например, углерода, серы, никеля, хрома и др.).
2. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ
Скорость охлаждения в интервале графитообразования,
т. е. в пределах от эвтектической температуры до температуры
несколько ниже эвтектоидной, является важным фактором, оп-
ределяющим графитизацию и структуру чугуна.
Из формулы (4) видно, что время и скорость охлаждения
отливок зависят: а) от конструкции или приведенной толщины
отливки (Я); б) от температуры заливки (С); в) от термофи-
зических констант (d, с, к) металла и, следовательно, от его
состава; г) от коэфициента теплоотдачи (а), т. е. температуры,
термохимических констант, технологии формы и т. д.
а) В л и я в и е конструкции отливок. Зависимость
скорости охлаждения от конструкции отливки очень сложна, но
в первом приближении может быть принята обратно пропорцио-
нальной толщине (8) или приведенной толщине (R). Так как
большинство отливок по своей конструкции Представляет плиты
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 105
с приведенной толщиной /?=—, то диаметры испытательных
брусков рекомендуется обычно выбирать вдвое больше тол-
щины отливки:
I) •= 2S. (63)
В этом случае отливка и брусок имеют примерно одинако-
вую приведенную толщину^/? =—= а следовательно, оди-
наковые графитизацию и структуру.
Влияние размеров образцов на графитизацию чугуна по
разным данным иллюстрируется рис. 54. С увеличением тол-
щины отливок коли-
чество графита и
степень графитиза-
ции чугуна повыша-
ются. .Одновременно
наблюдается .раз-
мельчение выделе-
ний графита вслед-
ствие увеличения
числа центров кри-
сталлизации. Поэ-
тому для каждого
чугуна существует
какая-то «критиче-
Рцс. 54. Влияние толщины отливок на графити-
зацию чугуна
ская» приведенная
толщина, при которой начинает получаться мелкий графит.
Так как скорость охлаждения по сечению отливки постепенно
замедляется от периферии к центру, то в наружных зонах каж-
дой отливки всегда наблюдается мелкий графит, располагаю-
щийся тем глубже, чем меньше углерода и кремния в чугуне.
При этом с увеличением скорости .охлаждения возрастает тен-
денция к образованию междевдритпого графита.
Точно так же и в ковком чугуне число центров кристалли-
зации увеличивается с уменьшением толщины отливок (рис. 27),
в связи с чем сокращается время отжига J.
Толщина отливки, ми <12 Г?—18 18—25 >25
Относ ягельное время ncpisoii стадии
графитизации 1,'1 1,5 1 А> 2,0
Вследствие указанного влияния скорости охлаждения на
графитизацию, положение граничных линии на структурных
Диаграммах зависит от приведенной толщины отливок. Как вид-
1 Согласно последним данным можно принять следующую зависимость
Между временем отжига и толщинок отливки " = kR'~.
106
К рис галл мз а ция и струкгурообразование в чугуне
но из диаграмм Еейхельта (рис. 55) левая граница перлитного
поля передвигается вправо тем больше, чем тоньше отливка.
На основе анализа большого количества практических и ли-
тературных данных, автор установил, что с увеличением при-
веденной толщины (/?) отливок вдвое величина константы гра-
фитизации (/С)) или содержание кремния в чугуне должны быть
Кремний, %
Рис. 55. Структурная диаграмма с криволинейными границами между
областями для образцов диаметром 6—30 мм
уменьшены на 0,3%, чтобы структура основной металлической
массы осталась без изменения. В общем виде это означает:
Кг, = Кг, + 1g Л \ (64)
где К и R — константы графитизации и приведенные толщины
двух отливок.
Логарифмическая зависимость (64) была впоследствии под-
тверждена Л, И. Какуриным и полностью оправдала себя на
практике. Поэтому можно приняты
= 4 . (65)
1 Если т = 2, то Кга = Кг, — 1g 2 — Кг, — 0,3, что соответствует ука-
за иной зависимости между приведенной толщиной отливки и константой гра-
фитизации.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна '07
где Sift —содержание кремния в отливке любой приведенной
толщины R\
Sin — содержание кремния по структурной диаграмме со-
ответственно приведенной толщине Rd, для кото-
рой эта диаграмма справедлива.
Так как для рис. 38 Rd = ~~ = 12,5 мм, то:
4
S'« = SlD-lg - Sl„- 1g-Д- = Si„-lgft+ 1,1. (66)
Для рис, 39 зависимость эта соответственно представится
в виде:
/? р
Si« = Sin - lg = SIP - Igrr = Sio - V? + 0,88. (67)
HT> 1.°
Пользуясь этими формулами и структурными диаграммами,
можно найти состав чугуна для любой отливки с приведенной
толщиной R в зависи-
мости от заданной
структуры.
На основе этих фор-
мул возможно также
построение структур-
ной диаграммы, учи-
тывающей не только
состав чугуна (С и Si),
но и толщину стенок
отливки (рис. 56). На
этой диаграмме по оси
абсцисс откладывается
приведенное содержа-
Рис. 56. Структурная диаграмма в зависи-
мости от состава чугуна н приведенной тол-
щины отливки
ние кремния (Si 4-
+ lg'/?), а по оси орди-
нат — содержание уг-
лерода.
Получение чугуна с той или иной структурой основной ме-
таллической массы определяется следующими условиями;
для белого чугуна С (Si + IgR) 4,5; (68)
для перлитного чугуна С (Si + IgT?) =6—10; (69)
для ферритного чугуна С (Si + lg/?)>14, (70)
где С, Si — содержание углерода и кремния;
R — приведенная толщина отливки, мм.
Диаграмма дает таким образом, представление о структуре
основной металлической массы чугуна в зависимости от соста-
108
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
ва и приведенной толщины отливки. Одновременно линии оди-
накового углеродного эквивалента (С8 ) позволяют судить о
форме графита.
б) Влияние температуры и скорости залив-
к и. Относительно влияния температуры заливки на графитиза-
цию существуют до сих пор противоречивые мнения в литера-
туре. В большинстве случаев эти противоречия являются след-
ствием неправильной
Диаметр образца, мм
г.б
гд
гг
г.о
ЗДЩаб
ЗДО'1'С
351 <4eSi
1емг:ература
зал и6'ku, “С
— iwbe
--
постановки опытов, ко-
гда жидкий чугун на-
гревается до разных
температур и при этих
температурах залива-
ется в формы. В этом
случае одновременно
оказывают свое влия-
ние и температура за-
ливки и температура
перегрева чугуна.
Правильное изуче-
ние влияния темпера-
туры заливки должно
производиться путем
нагревания жидкого
чугуна до одной ка-
кой-то постоянной тем-
пературы (температу-
ра перегрева) с после-
дующим возможно
быстрым охлаждением
его в ковше и залив-
кой в формы при тем-
пературах, подлежа-
щих исследованию.
Рис. 57. Влияние температуры заливки Правда, при этом до-
на графитизацию серого чугуна. полнительно действует
фактор «выдержки»
жидкого металла в ковше, по этим приходится пренебрегать.
Влияние же фактора перегрева будет при этом полностью иск-
лючено. При такой постановке опытов, как показывают литера-
турные данные, понижение температуры заливки ведет к умень-
шению степени графитизации чугуна (рис. 57). Такое влияние
температуры заливки на графитизацию находится в полном со-
ответствии с ее влиянием на скорость охлаждения отливок в кри-
тическом интервале, как это следует из рис. 58. 1
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структур!/ чугуна 1(19
Допустим, что одна и та же отливка залита при двух разных темпера-
турах (Тц< и t.K )„ причем Т ,и> t -,к.
В первом периоде охлаждения форма аккумулирует тепло отливки, вслед-
ствие чего разность температур между металлом и формой (Т—Гфи (ф)
резко уменьшается. Во вто-
ром периоде отливка и
форма охлаждаются, как
одно целое. и разность
температур между ними
почти не изменяется.
Из сопоставления соот-
ветствующих кривых охла-
ждения видно, что с уве-
личением температуры за-
ливки разность темЕЮратур
между металлом и формой
в первом периоде охлажде-
ния, например в момент
Рис. 58. Схема кривых охлаждения двух
одинаковых отливок, залитых при разных тем-
пературах.
повышается;
1Ф > Г Ф '
В связи с этим и скорость охлаждения в любой момент этого периода (
увеличивается, Однако литейщика иегтересует только скорость охлаждения
в определенных температурных интервалах, соответствующих тем или иным
процессам кристаллизации. Эти температуры (например, tirp> достигаются
в разные моменты времени (т” и i и тем позже, чем выше температура за-
ливки. Поэтому к моменту достижения отливкой определенной температуры
(fK j форма успевает тем больше прогреться, чем выше температура за-
ливки. При этом разность температур между металлом и формой соответ-
ственно понижается:
^кр— ф < ‘эф
Таким образом, повышение температуры заливки фактически приводит
к уменьшению скорости охлаждения при прохождении через соответствующие
критические температуры. Это влияние, однако, сказывается практически
только в первом периоде охлаждения.
По этой причине температура заливки оказывает непосредственное влия-
ние. главным образом, на строение первичной кристаллизации металла
и лишь в малой степени отражается на процессах вторичной кристалли-
зации 1.
Однако, некоторые исследования, несмотря на правильность
их постановки, приводят к увеличению степени графитизации
с понижением температуры заливки:
Температура заливки, °C 1400 1355 1300 1255 > 230 1195
Степень графитизации 1,11 1,16 1,21 1,25 1,26 1,28
Точно так же при заливке в металлические формы наблю-
дается часто уменьшение глубины отбела с понижением тем-
пературы заливки. Такое повышение степени графитизации яв-
ляется следствием выдержки чугуна в жидком состоянии
1 При этом остается в силе влияние, которое оказывает первичная
структура на вторичную.
110 Кристаллизация и стрдктурообразование в чугуне
и проявляется, несмотря на понижение температуры заливки.
При указанной выдержке чугуна, как увидим далее, умень-
шается газосодержание,
Приведенная толщина„мм
Рис. 59. Влияние состава чу-
гуна на время охлаждения
от начала затвердевания до
уничтожается влияние предыдущего
перегрева и увеличивается количе-
ство зародышей, что приводит к по-
вышению степени графитизации.
Само же по себе повышение темпе-
ратуры заливки, замедляя охлажде-
ние отливки в форме, способствует,
хотя и в небольшой степени, графи-
тизации серого чугуна и укрупне-
нию графита. По этой же причине
повышение температуры заливки,
замедляя охлаждение отливок из
белого чугуна, укрупняет их пер-
вичную структуру и, в противопо-
ложность серому чугуну, несколько
тормозит процесс графитизации ков-
кого чугуна.
Что касается скорости заливки,
то она действует в данном случае
конца перлитного превраще-
ния:
А — 2J*/» С, 2^5*/e Si» сырая фор-
ма; В — 3.5’Л С, 2,0’/а Sf, сырая
форма; С — 2,Wb С; 2,25*/> SL су-
хая форма: D — 3,?5Ve С, Si,
сухая форма
аналогично температуре заливке,
так как увеличение скорости заполнения формы способствует
сохранению тепла и температуры жидкого металла. Однако
интенсивность влияния этого фактора на графитизацию практи-
чески невелика.
в) Влияние состава чугуна. Состав чугуна может
оказывать влияние на скорость охлаждения отливки в интерва-
ле графитизации, с одной стороны, благодаря своей теплопро-
водности и температуропроводности, а с другой стороны,
благодаря выделению тепла при графитизации. Поэтому, как по-
казывают исследования Болтона, чугун с большим содержа-
нием углерода и кремния охлаждается медленнее (рис. 59).
г) Влияние технологии формы. Технология формы,
т. е. состав, температура, до некоторой степени толщина слоя
формовочных смесей, метод формовки и, наконец, способ и ме-
сто подвода металла в форму могут оказать значительное вли-
яние на скорость охлаждения всей отливки в целом и отдельных
ее частей. Повышение теплопроводности и температуропровод-
ности формы ускоряет, конечно, охлаждение отливки. Поэтому
заливка в сырые формы увеличивает скорость охлаждения и
несколько тормозит графитизацию чугуна, хотя практически
это влияние сказывается не очень сильно. В том же направле-
нии действует газопроницаемость формы, с повышением кото-
рой скорость охлаждения отливок увеличивается вследствие
улучшения условий теплоотвода, что впервые было отмечено
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна Ш
П. П. Бергом и значительно позже подтверждено а иностран-
ной литературе. Применение же сухих форм и стержней замед-
ляет охлаждение и поэтому способствует графитизации (рис. 60).
При этом небходимо
подчеркнуть, что влияние
формы на графитизацию
сказывается, главным об-
разом, в тонкостенных от-
ливках, так что при тол-
щине стенок выше 100 мм
материал формы не имеет
уже практического значе-
ния.
Особенно сильное вли-
яние па торможение гра-
фитизации и размельчение
основной массы и графи-
та оказывает металличе-
ская форма. Именно в
этом, как указывает
Ю. А. Нехепдзи, заключается технический смысл применения
кокилей для литья и все особенности их воздействия на свойства
отливок. Влияние кокилей сказывается, главным образом, в про-
цессе первичной кристаллизации, т. е. в первый период охлаж-
дения, когда они аккумулируют большое количество тепла
(в особенности при мелком литье). Поэтому, применяя метал-
лические формы или холодильники, можно в сильной степени
изменять степень графитизации и излом чугуна, как это видно
из некоторых литературных данных, представленных на рис. 61.
Можно принять, что при употреблении металлических форм
необходимо повысить содержание кремния в чугуне примерно на
0,8%, чтобы получить ту же степень графитизации и излом чу-
гуна, что и при песочной форме. В соответствии с опытами
Н. П. Дубинина, скорость охлаждения отливок в металлических
формах или при применении холодильников увеличивается при-
мерно на 30%, в связи с чем кривые на структурных диаграм-
мах значительно передвигаются вправо (рис. 62).
Металлические формы, ускоряя охлаждение отливок, естест-
венно способствуют размельчению структуры чугуна, но вместе
с тем создают условия для образования междендритного графи-
та с сопутствующим ему ферритом. Эта неблагоприятная кри-
сталлизация графита и часто образующийся отбел являются
главными недостатками применения металлических форм для
чугунного литья. Однако эти недостатки могут быть полностью
устранены путем модифицирования, отжига, правильного подбора
Кристаллизация и структурообразевание в чугуне
Рис. 61, Вид излома клиньев в зависимости ст материала формы
и содержания кремния в чугуне:
л — отливка в кокиль: б — отливка в песочную форму.
состава чугуна и режима работы и т. п. Поэтому применение
металлических форм является одним из способов получения вы-
сококачественных отливок.
Подогрев форм металлических или песочных уменьшает
скорость охлаждения отливок, что способствует графитизации
I
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна ИЗ
и передвигает линии структурных диаграмм влево. В этом от-
ношении эффект от подогрева формы до 250—450° равновелик
соответствующему эффекту от повышения содержания кремния
на 0,4—0,5% или ст увеличения толщины отливки в 2—3 раза.
Поэтому обра.зць! диаметром 30 мм, залитые в формы, подогре-
тые до 250—450э, имеют такую же структуру, как образцы диа-
метром 75 и 90 мм, залитые в холодные формы. Как велико при
этом изменение скорости охлаждения в зависимости от подогре-
ва и материала формы, видно из данных В. Я. Ромашевой:
Средняя скорость охлаждения, °С/хин.
сырая форма сухая форма подогретая форма
Диаметр образЕ1й мм
. . 300 ,,
Немалую роль в отноше-
нии скорости охлаждения и
графитизации чугуна играет
также место подвода метал-
ла в форму, что связано
с соответствующим прогре-
вом этого места большой
массой чугуна, проходящей
через питатели. Практиче-
ское значение этого обстоя-
тельства иллюстрирует Л. Я.
Садогурский (рис. 63).
При подводе металла с
одной стороны поршневого
кольца, противоположная
питателю сторона оказы-
вается значительно более
твердой, а иногда даже и
отбеленной, так как жидкий
чугун в этом месте, проходя
через всю форму, оказы-
вается сильно охлажденным
и сразу затвердевает. Для
выравнивания степени про-
грева формы и скорости
охлаждения чугуна по всей
окружности кольца, устраи-
вают, с противоположной
20, 12,0 9,1
1,7 1,2 0,5
Кремний, %
Рис. 62. Структурные диаграммы
Н. П. Дубинина для чугунных отли-
вок. заливаемых в металлические
формы
питателю стороны, сливной резервуар, куда поступает первая
порция сильно охлажденного металла. Влияние этих резервуа-
ров сказывается тем меньше, чем выше содержание кремния
Зак. 895
114
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
и благоприятнее условия графитизации. Поэтому при достаточ-
но высоком содержании кремния в чугуне разница в степени
графитизации у питателя и У противоположного конца отливки
исчезает, как это показали в своей работе 10. Я. Фипярти и
Г. Ф. Тихонов:
Si. %
1,04 1,52 1,94 2,59
С в отливке со стороны питателя, % 1,67 1,84 1,92 2,06
С^р с противоположного конца, % 0,16 1,72 1,75 2,06
Рис. 63. Влияние
подвода металла
на графитизацию
поршневых колец:
а — кольцо без
зервуара; б — кольцо
с резервуаром; вт г
— общий вид располо-
жения колец в форме
Технология формы, таким образом, в некоторых случаях
оказывает заметное влияние на процесс графитизации и струк-
турообразование в чугуне. Это имеет место и при производстве
ковкого чугуна:
Форма
Время первой стадии
графитизации, час.
Время второй стадии
графитизации, час.
Сырая Сухая 20° 400°
600° 800° 1000°
5 6
— 15
7,5 9,5 9,3 10
22 21 22 —
С увеличением1 скорости охлаждения отливок из белого чу-
гуна время, необходимое для их последующей графитизации,
уменьшается. Указанная зависимость объясняется тем, что
с увеличением скорости охлаждения размельчается первичная
структура чугуна. Вследствие этого увеличивается число цент-
ров кристаллизации и ускоряется процесс графитизации при
последующем отжиге.
Может играть роль также температура выбивки отливок из
форм. Например, в конвейерных литейных выбивка произво-
дится обычно при температурах выше критической, что способ-
ствует ускорению охлаждения в процессе вторичной кристалли-
зации. Такая ранняя выбивка может происходить и в обычных
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 115
литейных — она имеет целью размельчение перлита в чугуне,
но не может, конечно, оказать влияния на форму графита.
д) Однородность строения и влияние на нее
состава чугуна. Так как скорость охлаждения и условия
кристаллизации в разных частях отливки и в разных местах
одного и того же сечения различны, то соответственно различны
также строение и свойства литого металла. Это особенно спра-
ведливо в отношении чугуна, строение и свойства которого,
вследствие процессов графитизации, в сильной степени за'висят
от скорости охлаждения и других условий кристаллизации. По-
этому чугун отличается сравнительно низкой однородностью
(квазиизотропией) и высокой чувствительностью к скорости
охлаждения. Однако эта зависимость структуры и свойств чу-
гуна от скорости охлаждения может быть различной и являет-
ся функцией состава чугуна и некоторых других факторов.
Получите высококачественную отливку в современном смыс-
ле этого слова — значит не только изготовить ее из чугуна
с высокими механическими или физическими свойствами, но
и обеспечить эти качества во всех сечениях отливки, т. е. сделать
ее максимально однородной. Поэтому7 литейщикам весьма важ-
но знать условия повышения однородности чугуна.
При изучении однородности чугуна отливают либо специ-
альные пробы разного сечения, либо одну отливку с разными
по сечению частями (рис. 64). Пробы с разной толщиной сте-
Рис. 64, Пробы для исследования однородности чугуна
нок исследуют для сопостайления структуры и свойств чугуна
в разных сечениях.
Влияние содержания углерода в чугуне на его однородность
по излому ясно из рис. 65. Из сравнения изломов обычного
и малоуглеродистого чугуна видно, что первый представляет
собой весьма неравномерную структуру в центре и на краях,
118
Кристаллизация и струкгурообрвзование в чаграв
Рис. 67. Анормальное изменение твердости при отливке клина и обра-
зование структуры с первичным ферритом и цементитом
Рис. 68. Обратный отбел в
чугунных отливках
пающий к форме слой чугуна и
Для объяснения этого явления выдви-
нут ряд предположений и теорий. Соглас-
но одной из них. причина графитизации
чугуна в наружных частях отливки обус-
ловлена зародышевым действием стенок
формы и в частности красок. В центре
же из-за отсутствия или недостатка заро-
дышей графита чугун затвердевает по
метастабильной системе.
К. А. Еремин выдвинул теорию обра-
зования отбела в центре отливки благо-
даря увеличенной там скорости охлажде-
ния, обусловленной охлаждающим дейст-
вием затвердевшей части. Действитель-
но, осевая зона затвердевает позже, но с
большей скоростью, чем наружная, что
может быть причиной образования обрат-
ного отбела. Кроме того, были высказаны
предположения, что углерод, находящийся
в формовочных смесях, раскисляет приле-
способствует его графитизации. Существует
также мнение, что центральная часть отливки затвердевает под давлением
сжимающейся наружной корки, вследствие чего графитизация тормозится.
В последнее время высказана интересная точка зрения, увязывающая
Образование обратного отбела с содержанием водорода в чугуне.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна И9
Водород, концентрируясь в центральных частях отливки, тормозит гра-
фитизацию и способствует отбелу. Это явление аналогично образованию
«твердых» мест в концом чугуне.
Механизм образования обратного отбела пока еще не выяс-
нен, Во всяком случае можно с уверенностью отметить, что об-
разование обратного отбела облегчается при окисленном и сер-
нистом чугуне, находящемся по составу на границе между се-
рым и белым. При этом для каждого состава чугуна ^сущест-
вует «критическая» скорость охлаждения, при которой легче
всего образуется обратный отбел. По наблюдениям автора, об-
ратный отбел можно получать при закалке отливок в процессе
их затвердевания. В этом случа’е центральная часть отливки
затвердевает в других условиях и с большей скоростью, чем на-
ружная часть, что и определяет образование обратного отбела.
3, ВЛИЯНИЕ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ
На образование в чугуне самопроизвольных и вынужденных
зародышей оказывают влияние не только состав чугуна и ско-
рость охлаждения отливок, но и жидкое состояние металла,
которое зависит от температуры перегрева, условий модифици-
>’ рования и происхождения исходных материалов. Все это имеет
большое влияние на кристаллизацию и графитизацию чугуна,
i а) Влияние перегрева и выдержки жидкого
Ж чугуна. Исследования показали, что с повышением темпера-
туры перегрева жидкого чугуна' количества связанного углеро-
f да сначала увеличивается, а затем, при переходе через какую-то
/уда
«да
йда
§ ,/w
«критическую температуру» (1400—
1500°), уменьшается (рис. 69). При
этом выдержка жидкого чугуна во
всех случаях задерживает графити-
зацию. Она действует, следователь-
но, одинаково с перегревом при низ-
ких температурах и противополож-
но перегреву при высоких темпера-
турах.
Как показывают литературные
данные, повышение температуры
перегрева жидкого чугуна приводит
к заметному размельчению графи-
та, что связано с увеличением пере-
охлаждения (рис. 70). Вместе с тем
возрастает тенденция к кр
' и т а в дендритной di о о м е. и
о US' W 15 gfl 2p 3,0 35
Углерод связанный, £
Рис, 69. Влияние перегрева
и выдержки жидкого чугуна
На графитизацию
исталлизации г р а-
тем в большей сте-
пени, чем выше перегрев чугуна и меньше с о-
120
Кристаллизация и структурообразоваяие в чугуне
Держание углерода в нем. Поэтому при тепловой обра-
ботке жидкого чугуна не следует превышать какую-то предель-
ную температуру, абсолютное значение которой тем ниже, чем
меньше содержание углерода в чугуне. В этом отношении пере-
Рис. 70. Влияние температуры перегрева и скорости охлаждения
на положение эвтектической температуры и форму графита в чугуне
грев действует в том же направлении, что и понижение содер-
жания углерода и увеличение скорости охлаждения.
Как видно из рис. 70, эвтектическая температура действи-
тельно понижается, а переохлаждение, следовательно, увеличи-
вается с повышением перегрева чугуна, т. е. аналогично tomv,
что наблюдается при увеличении скорости охлаждения. Такое
переохлаждение чугуна и переход затвердевания в область бо-
лее низких температур и более интенсивного самопроизвольного
кристаллообразования вызыв йот размельчение графита и кри-
сталлизацию его в междендритной форме. Одновременно на-
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 121
блюдается также повышение однородности чугуна1. С увеличе-
нием температуры перегрева уменьшается, таким образом, чув-
ствительность к скорости охлаждения.
Согласно опытам И. Н, Богачева и К. П. Бунина, пере-
грев чугуна является обратимым процессом,
так что выдержка при более низкой температуре частично иля
полностью уничтожает действие предыдущего перегрева. Это
явление, впервые открытое в СССР, чрезвычайно важно в тео-
ретическом отношении; в частности, оно объясняет наблюдаемое
в некоторых случаях увеличение степени графитизации с пони-
жением температуры заливки.
Указанное влияние перегрева и выдержки жидкого чугуна
подтверждено многими исследователями, хотя существование
«критической» температуры при этом не всегда и не всеми бы-
ло обнаружено. Установлено, что влияние перегрева на графи-
тизацию и положение перегиба при «критической» температуре
зависит от состава чугуна, скорости охлаждения, окружающей
газовой атмосферы и т. д.
Для объяснения влияния перегрева был предложен ряд теорий С
Согласно теории диссоциации молекулярных группи-
ровок углерод в жидком чугуне может находиться в атомарном (С) нлн
молекулярном (Fe3C) состояниях. При этом он стремится выделиться во
время кристаллизации преимущественно в той форме, в какой он нахо-
дится з жидком чугуне.
Диссоциация карбидов в жидком чугуне идет с выделением тепла:
Fe3C^t3Fe + С + Q кал.
Повышение температуры, направляя реакцию в сторону поглощения тепла
(влево), будет иметь следствием образование карбидов и, следовательно,
повышение количества связанного углерода при кристаллизации, что соот-
ветствует направлению нижних ветвей кривых ряс. 69.
Для объяснения обратного направления кривых (выше точки перегиба)
приходится привлекать уже теорию изменения содержания
газов в чугуне. Эта теория предполагает, что с повышением темпера-
туры увеличивается количество растворенных газов, каталитически способ-
ствующих графитизаций (СО, СО2 и общее содержание кислорода). Однако
можно также допустить соответствующее уменьшение содержания газов,
препятствующих графитизации (например, водорода). И в том и в другом
случае увеличение температуры перегрева чугуна приводит к увеличению
степени графитизации, что объясняет направление верхних частей кривых
рис. 69.
Существуют и другие теории, пытающиеся объяснить влияние перегрева
на графитизацию чугуна. Например, теория графитных зароды-
шей предполагает медленное растворение графита в жидком чугуне.
1 Влияние перегрева жидкости на переохлаждение ее при последующей
кристаллизации является общим явлением. В. И. Данилов в результате
своих опытов приходит к заключению, что .это явление связано с дезакти-
вацией вынужденных зародышей и что поэтому при чисто самопроизволь-
ной кристаллизации влияние перегрева не может сказываться. Однако эта
точка зрения находится в противоречии с фактом обратимости перегрева,
обнаруженном на чугуне.
122
Кристаллизация и структурообразование е чугуне
В соответствии с этим число нерастворенных микроскопических и, главным
образом, субмикроскопических выделений графита, служащих центрами кри-
сталлизации, уменьшается с перегревом^ вследствие чего степень графити-
зации чугуна понижается.
Такое уменьшение количества остаточных зародышей (графита) при
перегреве н изотермической выдержке жидкого чугуна приводит к-повы-
шению переохлаждения и к увеличению скорости самопроизвольного обра-
зования зародышей, в результате чего и происходит уменьшение графити-
зации и размельчение графита. Однако эта теория не в состоянии удовлет.'
ворительно объяснить факт обратимости перегрева, установленный совет-
скими учеными, так как иет оснований для того, чтобы графит, постепен-
но растворяющийся при высоких температурах, выделялся из жидкого до-
эвтектического чугуна при его охлаждении.
Теория неметаллических включений объясняет влияние
перегрева и выдержки жидкого чугуна коалесценцией и удалением неметал-
лических включений, служащих зародышами. При этом возможно также
изменение состава или растворение соответствующих выделений и включений
при повышении температуры. Для объяснения влияния перегрева чугуна
«а размельчение графита и здесь необходимо принять, что удаление выну-
жденных зародышей приводит к увеличению переохлаждения и к соответ-
ствующему более интенсивному развитию самопроизвольной кристаллизации.
При этом И. Н. Богачев, принимает, что «зародышевая фаза» находится
в равновесии с металлом, что удовлетворительно объясняет явление обрати-
мости процесса перегрева. В этом случае повышение температуры приводит
Рис. 71. Влияние темпериту-
к растворению и уменьшению количества
зародышей, а понижение температуры —
К соответствующему выделению их из ра-
створа.
Наконец, теория самопроиз-
вольных зародышей принимает,
что с повышением температуры число и
размеры искаженных участков понижа-
ются. Поэтому затвердевание чугуна про-
исходит с большим переохлаждением при
большей скорости самопроизвольного об-
разования зародышей. По этой причине,
а также вследствие уменьшения линейной
скорости роста, выделения графита раз-
мельчаются, а количество его уменьшает-
ся. С повышением , температуры количест-
во и размеры обогащенных углеродом
участков уменьшаются, но при последу-
ющем понижении температуры количество
их в;ювь увеличивается, что является при-
чиной обратимости перегрева. В связи
: Этим количество графита, обнаруживае-
мое в белом чугуне после его за-
ры перегрева и выдержки па
количество графита н жид-
ком Чугуне
калки
вается,
тем
гура
явления.
из жидкого
как показал
больше,. чем
и длительнее
наблюдаемые
состояния,
К. П.
ниже
выдержка
оказм-
Бунин,
темпера-
чугуна
при перегреве чугуна,
а размельчение графита,
мере хорошо объясняются
(рис. 71). Таким образом,
в частности уменьшение степени графитизации
а также обратимость перегрева в одинаковой _г ...________
теориями самопроизвольных зародышей, неметаллических "включений и” дис-
социации молекулярных группировок. У нас иет пока оснований отдавать
предпочтение какой-либо из этих теорий.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 123
Все эти теории дают одно и то же представление о меха-
низме явления. С повышением температуры перегревачугуна
количество самопроизвольных и вынужденных зародышей и сте-
пени графитизации уменьшаются, что соответствует направле-
нию нижней части кривых рис. 69. Одновременно увеличивается
переохлаждение при кристаллизации, и выделения графита по-
этому размельчаются. При понижении температуры вновь обра-
зуются зародыши, что вызывает явление обратимости перегрева.
Вместе с тем при перегреве жидкого чугуна действует какой-
то фактор, благоприятствующий графитизации. Опыты показы-
вают, что при плавке в вакууме перегиба на кривой зависимости
графитизации от перегрева нс наблюдается. Поэтому вполне
вероятно предположение, что фактором, способствующим гра-
фитизации, является изменение газосодержания. Какие именно
газы при этом играют основную роль (СО, СОг, Ой или На),
еще не выяснено. Во всяком случае вначале преобладает влия-
ние одного фактора, препятствующего графитизации (пере-
охлаждение), а затем — влияние другого фактора, способствую-
щего графитизации (газосодержание). В результате указанно-
го и образуется перегиб на кривой зависимости графитизации
от перегрева.
Перегрев жидкого чугуна1 оказывает большое влияние так-
же на графитизацию и свойства ковкого чугуна. Как видно из
рис. 27, количество центров кристаллизации с повышением пе-
регрева ковкого чугуна увеличивается. В соответствии с этим
продолжительность отжига, как показывают исследования,
уменьшается.
Температура перегрева, *С 1540 1600 1650 1700 1750
Относительное время отжига 1,0 0,88 0,70 0,60 0,42
Такое влияние перегрева объясняется повышением пере-
охлаждения при затвердевании белого чугуна с соответствую-
щим размельчением1 его первичной структуры. По этой же
причине при взятии проб из пламенной или электрической печи
во время перегрева1 ковкого чугуна при его плавке наблюдает-
ся постепенное отбеливание излома, несмотря на то, что состав
чугуна при этом почти не меняется.
Чем выше температура перегрева жидкого чугуна, тем
больше может быть его константа графитизации без опасно-
сти образования графита в отливках. Это дает возможность
при большом перегреве держать в чугуне более высокое со-
держание кремния при том же содержании углерода, и тем
самым еще больше ускорить процесс отжига.
6) Влияние модифицирования чугуна. Прибав-
ка в небольшом количестве ряда элементов или сплавов в ковш
к жидкому чугуну незадолго до заливки оказывает на графи-
124
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
тизацию и свойства чугуна более сильное, а цногда и противо-
положное влияние, чем присадка в печь. Чугун, полученный
таким способом, называют модифицированным. Харак-
терной особенностью модифицирования является изменение сте-
пени переохлаждения, а следовательно и формы кристаллизую-
щегося графита, которая в зависимости от природы модифици-
рующих добавок может переходить от пластинчатой к межден-
дритной и глобулярной или наоборот, как это показано на
рис. 72.
Рис, 72. Влияние модифицирующих добавок на форму
графита
В связи с этим следует различать три группы модификато-
ров. Первая группа (силикокальций, ферросилиций, графит,
силикокарбид, сплавы меди, циркония, бора и т. д.) уменьшает
переохлаждение и способствует образованию пластинчатого
графита. Вторая группа (алюминий и титан) увеличивает пере-
охлаждение и способствует образованию междендритного гра-
фита. Третья же группа — модификаторов (церий и магний)
сильно увеличивает переохлаждение, препятствует графитизации
в процессе затвердевания и способствует образованию глобуляр-
ного графита.
Так как междендритная форма графита оказывает отрица-
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 125
тельное влияние на свойства чугуна, то практическое значение
имеют лишь те процессы, которые способствуют образованию
пластинчатого или глобулярного графита. Наибольшее практи-
ческое развитие получили пока процессы производства моди-
фицированного чугуна с пластинчатым графитом. Процессы же
получения чугуна с глобулярным графитом еще не вышли из
стадии лабораторных исследований и опытных плавок, но
в ближайшее время несомненно получат большое распрост-
ранение. При получении модифицированного чугуна1 с пластин-
чатым графитом устраняется возможность образования межден-
дритного графита. Это находится в полном соответствии с изме-
нением кривой изотермической кристаллизации эвтектики при
модифицировании. Как видно из рис. 7, кривая эта растягивает-
ся вдоль температурной оси, вследствие чего пластинчатая фор-
ма графита получается при большей скорости охлаждения (г2),
чем в обычном чугуне (vj.
Поэтому процесс модифицирования сказывается в тем боль-
шей степени, чем больше склонность чугуна к междендритной
кристаллизации графита (низкое содержание углерода, высокий
перегрев, быстрое охлаждение, большой процент стали в шихте
и т. д.). В некоторых случаях при этом исходят даже из белого
или половинчатого чугуна, который после приса'дки модифика-
тора в количестве 0,1—0,5% превращается в серый чугун
(рис. 29) вследствие резкого повышения степени графитизации.
Столь интенсивное влияние модифицирующих добавок дает
возможность понизить константу графитизации, а значит и со-
держание углерода и кремния в модифицированном чугуне
при заданной структуре.
В этом случае, как показывают лутературные данные, мо-
дификаторы повышают критические температуры и способст-
вуют получению пластинчатого графита:
Температура Температура Форма графита
ликвидуса, °C эвтектики, °C
Чугун с 2 % С и 2% Si
не модифицированный 1305 1085 Междендритная
Тот же чугун после мо-
дифицирования 0,5%
FeSj 1315 1125 Пластинчатая
Подобным образом, согласно исследованиям И. Н. Богачева,
действуют SiCa, графит и т. д. При этом в большинстве слу
чаев наблюдается увеличение продолжительности кристалли-
зации:
Модификатор
Изменение температур-
ной остановки. °C
Изменение д ительности
остановки, сек.
StCaCrp Si Мп Ti AMS Nt СОЛа,СО,СаР,
+ 12 + 12 +8 0 —7 -12 -5-15 —40 —44
+20+20+15 0 —ТО—£5—40—30 —60 —6Э
126
Кристаллизация и струклурообразование в чугуне
При продувке же газами, обработке шлаками и солями,
а также при присадке титана и сплава AMS возникает обрат-
ное явление — увеличение переохлаждения и сокращение дли-
тельности эвтектической остановки. Такие модификаторы обыч-
но увеличивают тенденцию к образованию междендритного
графита. При этом выдержка жидкого чугуна после присадки
модификаторов несколько понижает эвтектическую остановку
и уничтожает благоприятное влияние присадок на кристаллиза-
цию графита. Так, по приводимым- в литературе данным, эвтек-
тический интервал чугуна с 3,0% С и 2,2% Si понижается на
4—7° после присадки силикокалъция и выдержки жидкого чу-
гуна в течение 20—30 мин. В связи с этим действие моди-
фикаторов проявляется только в течение небольшого промежут-
ка времени после присадки их к жидкому чугуну.
Модифицирование оказывает влияние не только на количе-
ство и форму графита, но и на величину эвтектического зерна
в чугуне, которая обычно уменьшается при модифицировании.
По опытам автора, проведенным совместно с Е. И. Литвиновой,
площадь эвтектического зерна в чугуне уменьшилась при моди-
фицировании с 1,0 до 0,3 мм2, причем особенно интенсивно дей-
ствовал алюминий. Некоторые модификаторы оказывают прин-
ципиально различное влияние на кристаллизацию графита и
металлической массы чугуна. Например, силикокальций укруп-
няет выделение графита и в то же время размелвчает эвтекти-
ческое зерно в чугуне. При этом модифицирование повышает
всегда однородность строения и свойств отливок и уменьшает
чувствительность чугуна к скорости охлаждения.
Модифицирование оказывает также влияние на графитиза-
цию ковкого чугуна. При этом механизм воздействия модифика-
торов на графитизацию ковкого чугуна1 отличен от того, что
имеет место в сером чугуне. Действительно, действие модифи-
каторов в ковком чугуне проявляется не непосредственно, а че-
рез основную металлическую массу чугуна, размельчение кото-
рой приводит к ускорению последующего отжига белого чугуна
Поэтому в качестве модификаторов для ковкого чугуна должны
выбиратвся те элементы и сплавы, которые сильнее всего воз-
действуют на кристаллизацию металлической массы чугуна
(Al, Ti). Опыт ряда советских заводов подтверждает, что при-
садка 0,02—0,04% А1 иди 0,1% Ti ускоряет процесс отжига
ковкого чугуна. Благоприятное влияние оказывает также при-
садка очень небольших количеств бора (0,001%). Параллельно
с этим меняются величина и форма выделений углерода отжи-
га, как это показано, например, С. А. Салтыковым;
Si—Са, % — 0,2 0,3 0,4
Число выделений углерода
отжига на 1 мм* 5—12 22—32 64—38 124—168
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна
127
Несмотря на то, что исследованиям влияния малых добавок
на структуру и свойства чугуна посвящено много работ, меха-
низм этого процесса остается до сих пор невыясненным. Суще-
ствующие по этому поводу теории весьма многочисленны и раз-
нообразны, как это видно из следующей схемы.
Современные теории рассматривают процесс модифицирова-
ния, как воздействие на параметры кристаллизации (введение
добавочных зародышей или изменение линейной скорости роста
кристаллов), легирование, рафинирование или воздействие
температурных колебаний (местные перегревы В результате
реакций раскисления),
Из всех этих теорий наиболее обоснованными являются те,
которые рассматривают процесс модифицирования, как резуль-
тат воздействия малых добавок на1 параметры кристаллизации—
число активных зародышей и скорость их роста. Под влиянием
этих факторов происходит то или иное изменение размеров
и формы выделений графита.
128
Кристаллизация и сгруктцрообразование в чргрне
Влияние присадки силикокалышя раиыие склонны были ррипнсывать тому
избыточному количеству кальция, которое остается в металле после реакции.
1акдя точка зрения рассматривает, следовательно, влияние малых добавок,
как л е г и р о в я н и с I
Основанием для теории легирования является общеизвестное положение,
что влияние элементов вовсе не пропорционально их количеству» и относи-
тельное воздействие малых концентраций может быть очень сильным» С этой
точки -зрения понятно» почему малые добавки оказывают столь большое
влияние. Однако, против этой теории говорит то обстоятельство, что кремний
действует как модификатор, несмотря на его высокое содержание в чугуне.
Другая группа теорий рассматривает процесс модифицирования, как
рафинирование. Особенно большое внимание уделяется дегазации
и раскислению. Например, уменьшение концентрации водорода эти теории
объясняют образованием ацетилена или других соединений:
Са + 2С= СаС,. (71)
СаС2 + 2Н = Са + С,Нг (72)
Такое уменьшение содержания водорода в чугуне должно вести к пони-
жению стабильности карбидов и к повышению степени графитизации. С дру-
гой стороны, П. Н. Бидудя рассматривает процесс модифицирования, как
результат раскисления чугуна. Однако, опыты с модифицированием чугуна
алюминием не подтверждают эту точку зрения. Несмотря на то, что алюми-
ний является сильным раскислителем и дегазатором, эффективность его
воздействия при модифицировании сравнительно низка и во всяком случае
много меньше, чем соответствующее влияние кремния, а тем более евдико-
кальция. ‘
Точно так же вызывает сомнения выдвинутая Б. С. Мильманом теория
термической неоднородности, рассматривающая процесс моди-
фицирования, как воздействие местных высоких перегревов в результате
экзотермических реакций раскисления. Как известно, повышение температуры
перегрева ведет к увеличению переохлаждения, в то время как при модифи-
цировании чугуна наблюдается обычно уменьшение переохлаждения (рис. 30).
Наиболее вероятными кажутся теория воздействия на пара-
метры кристаллизации.
Повышение эвтектической температуры при модифицировании говорит
о зародышевом влиянии присадок. Однако следует иметь в виду, что далеко
не всякие включения могут служить зародышами для графита. Наиболее
эффективное влияние в этом отношении оказывают остаточные зародыши,
например остатки графита, или выделения спели, образуемые в результате
обогащения небольших объемов чугуна модифицирующими элементами (Si).
Местное обогащение микрообъемов кремнием в первые моменты присадки
модификатора, пока диффузия еще не успела выравнять состав металла
по всему объему, вызывает выделение первичного графита, играющего роль
зародыша.
Центрами кристаллизации для- графита могут также служить всякого
рода включения, адсорбирующие и а своей поверхности углерод из раствора.
Роль таких включений, видимо, могут выполнять нитриды и гидриды в боль-
шей степени, чем скислы.
Каи видно из вышеприведенной схейы, воздействие на параметры кри-
сталлизации при модифицировании может быть также обусловлено образо-
1 Можно также предположить, что избыточный кальций, как поверхностно
активный элемент, концентрируется на границе растущего зерна и соответ-
ственно изменяет скорость роста кристаллов.
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 129
ванием в жидком чугуне тех или иных соединений, играющих роль адсорб-
ционных пленок, или .неравномерным распределением модифицирующих эле-
ментов по сечению растущих зерен. Образование пленок или неравно-
мерное распределение элементов на поверхности и в центре зерна изменяют
скорость роста кристаллов и условия кристаллизации. Таким образом, наибо-
лее вероятно, что модифицирование представляет собой процесс воздействия
на параметры кристаллизации либо путем создания вынужденных зароды-
шей, либо путем изменения скорости роста кристаллов.
Практически целью модифицирования является обычно по-
лучение равномерно распределенного! пластинчатого графита
вместо ориентированного междендритного. Поэтому изменение
параметров кристаллизации должно быть сделано таким обра-
зом, чтобы уменьшить переохлаждение и укрупнить выделения
графита.
Что касается теории модифицирования с целью получения
глобулярного графита, то она основывается на общих положе-
ниях образования аллотриоморфных кристаллов. Как уже бы-
ло выяснено, пластинчатая форма графита получается в усло-
виях неоднородного притока атомов углерода к растущему кри-
сталлу графита во время эвтектического превращения, а также
в условиях, когда лимитирующим процессом графитизации ста-
новится кристаллизация.
Для образования глобулярной формы графита необходимо,
чтобы кристаллизация шла в однородной среде (жидкой или
твердой) и чтобы лимитирующим звеном процесса была диф-
фузия. Эти условия легче всего осуществить при графитизации
в твердом чугуне. В жидком же чугуне должны быть созданы
зародыши для графита, обеспечивающие графитизацию после за-
твердевания. С этой целью чугун модифицируют церием или
магнием. При эвтектическом превращении эти модификаторы
задерживают графитизацию, и чугун затвердевает белым с боль-
шим переохлаждением. Созданные же ранее глобулярные выде-
ления графита в жидком чугуне или другие зародыши вызы-
вают графитизацию чугуна уже в твердом состоянии при срав-
нительно низкой температуре. В связи с этим рост зародышей
происходит со всех сторон с одинаковой скоростью (при лими-
тировании процесса диффузией) и приводит к получению глобу-
лярного графита.
в) Влияние исходных плавильных материа-
лов. В практике можно часто наблюдать, что при изменении
шихты и переходе от чугуна одной доменной печи на чугун
другого происхождения свойства получаемых отливок, в том
числе степень графитизации и глубина отбела, меняются даже
при казалось бы неизменном химическом соста'ве металла. Та-
кую связь между свойствами исходных сырых материалов
и свойствами отливок иногда называют «наследственностью».
g Зж. 80S
130
Кристаллизация и структурообразование в чугуне
Однако обычный химический анализ не дает представления
о содержании в чугуне небольших количеств легирующих эле-
ментов, газов и неметаллических включений, которые могут
оказывать значительное влияние на свойства чугуна. Несмотря
на разницу в содержании этих составляющих, чугуны считают-
ся часто одинаковыми по составу, и различие в свойствах от-
ливок приписывается природе исходных материалов. К тому
же ведет недостаточность контроля производства в отношении
температур перегрева и заливки, состава формовочных смесей,
условий выбивки, режима плавки и т. д.
Так, например, известно влияние шлаков на свойства ме-
талла. Если количество и состав шлака в доменной печи
влияют на свойства чушкового чугуна, то, казалось бы, есть
основания предполагать, что этот фактор не остается без влия-
ния и при переплавке чугуна в литейных. Действительно, при
плавке чугуна в электропечи на глиноземистых шлаках удава-
лось получать чугун с мелким округленным графитом. Извест-
но также, что ковкий чугун, выплавленный или перегретый
в основной электропечи, графитизируется при томлении медлен-
нее, чем чугун из кислой печи.
Кроме того, исследования показали, что окислительные
и восстановительные шлаки разно влияют на характер затверде-
вания чугуна. В первом случае затвердевание происходит по
стабильной системе с образованием грубого графита, во втором
случае кристаллизация идет с переохлаждением и, следова-
тельно, с образованием мелкого (иногда междендритного) гра-
фита, как это видно из литературных данных (табл. 7).
Таблица 7
Влияние состава шлаков на структуру чугуна
Харсьте-» шлаков Структура чугуна О, в чугуне, % Знтсг т^меская температура °C
Известково-глиноземистые с низким содержанием S(O2 Нормальный гра- фит -р перлит 0,0025 1150
Известково-кре'-неземистьте с высоким содержанием СаО Мелкий графит + феррит 0,0019 1140
Известково-кремнеземистые с высоким содержанием SiO2 Грубый графит 0,0105 1160
Количество и состав шлака при переплавке чугуна, опреде-
ляя в некоторой мере характер неметаллических включений
и содержание газов в металле, оказывают влияние на свойства
и степень графитизации отливок. Поэтому шлакам при плавке
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 131
высококачественного чугуна должно быть уделено достаточное
внимание. Между тем за составом шлаков не установлено кон-
троля, и все изменения, вносимые этим фактором, литейщики
объясняют особыми свойствами исходных материалов.
Известно также по ряду литературных данных, что влаж-
ность дутья в доменной печи (и в вагранке) увеличивает коли*
чество водорода в чугуне:
Влага в дутье, г! См3 3,4 24,0 48.4
Нг,% 0,0001)4 0,00009 0,00018
Такой чугун после переплава сохраняет повышенное содер-
жание водорода, что влияет на его кристаллизацию и структу-
ру. Однако контроль над влажностью дутья в литейных до сих
пор не установлен, и соответствующие изменения в чугуне
часто объясняются той же «наследственностью».
Во многих случаях структура и свойства отливок действи-
тельно зависят от состава и происхождения исходных материа-
лов. Выяснению этой зависимости много способствовали работы
И. А. Соколова, Л. А. Горшкова, И. Н. Богачева и др.
Сущность явления заключается в устойчивости зародыше-
вой фазы (графита и неметаллических включений) и газосо-
держания в жидком чугуне. В связи с этим белый чугун, при
прочих равных условиях, склонен после переплава затвердевать
по метастабильной системе, а чугун, богатый графитом, —по
стабильной системе. Точно так же имеется тенденция к сохра-
нению формы выделений графита1. Поэтому советские литейщи-
ки избегают применять чушковый чугуп с высоким содержа-
нием кремния и с грубым графитом. Правда, выделения графи-
та размельчаются с повышением температуры перегрева, так
что при этом в некоторой мере уничтожаются факторы, обуслов-
ливающие влияние исходных материалов. Однако, при прочих
равных условиях, все же можно заметить, что шихтовые мате-
риалы с мелким или с малым количеством графита (белый
чугун, сталь) создают тенденцию к образованию более мелко-
го графита, а также большего отбела в отливках.
ЭТО обусловливается не только и, вероятно, не столько со-
хранением субмикроскопических остатков графита в жидком
чугуне, сколько устойчивостью неметаллических зародышей,
определяющих одинаковый ход кристаллизации графита в ис-
ходном чугуне и в отливках. В связи с этим рекомендуется
широко применять особые чушковые чугуны, благоприятные по
структуре. Такие чугуны выплавляются обычно в доменных пе-
чах с малым объемом и с равномерным ходом и содержат ма-
ло газов и включений. Однако и чугуны больших печей могут
быть обработаны с целью улучшения их структуры и свойств.
Это может быть достигнуто снижением содержания углерода,
9*
132 Кристаллизация и структурообразодание в чугуне
тепловой обработкой в жидком состоянии (перегрев), обра-
боткой шлаками, в том числе содой, перемешиванием спецз-
альными мешалками, очищением чугуна от включений центро-
бежным способом и Т, д.
Введение в шихту такого чугуна приводит к размельчению
выделений графита в отливках и к повышению их качества.
В том же направлении действует, как это давно известно, при
менение древесноугольного чугуна, условия плавки которого
резко отличаются от плавки на коксе (разный состав шлаков,
меньшее давление дутья, меньшая температура горна, лучшая
восстановимость руд и т. д.). В связи с этим древесноугольный
чугун, согласно исследованиям В. П. Резобцова и Л. С. Ры-
бакова, А. А. Горшкова и др., содержит в 3,5—8,0 раз меньше
неметаллических включений, чем коксовый чугун:
SiO„ % FeO. % Mnot % A^Oj, % Всего, %
Коксовый чугун 0,027
Древесноуголь-
ный чугун 0,012
°.145 0,016 0,150 0,338
0,007 0,001 0,024 0,044
Содержание газов дакже оказывается значительно меньше
При древесноугольнои плавке, как это следует из опытов
В. П, Чернобровкина:
Количество газог$ на 100 г чугуна, си’
ОО2 СО у2 сн4 Ьсето
Коксовый чугун 1,0 15,0 Зо,О 22,0 1,0 69 0
Древесноугольный чу-
гун 4.0 7,5 54 30j0 !,1 48,0
Указанные различия приводят к тому, что форма графита
в древесноугольном чугуне или в коксовом чугуне, выплавлен-
ном в малой печи при правильном режиме, благоприятно от-
личается от формы графита в чугуне, выплавленном в боль-
ших печах или при неравномерном режиме причем эта разни-
ца сохраняется даже после неоднократной переплавки. Вместе
с тем следует указать, что путем соответствующего перегрева
или других мероприятий можно и на коксовом чутуне получать
отливки, не отличающиеся по структуре ц качеству от отливок
из древесноугольного чугуна.
4. ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Термической обработкой достигается изменение графитиза-
ции чугуна. Этим практически пользуются как для повышения,
так и для понижения степени графитизации.
а) Термическая обработка с целью повыше-
ния степени графитизации. Для этой цели приме-
няется отжиг, которым пользуются в следующих случаях:
1) при литье в металлические форму с целью снятия отбела;
Влияние разных фактсров на кристаллизацию и структуру чугуна 133
специальных свойств
» S0D-
S Я»
8ОВ
?00
600-
500
ООО
бремя
Ряс. 73. Кривые термической обработки (отжига)
чугуна с целью повышения степени графитизации
2) при исправлении структур отливок, полученных не в соот-
ветствии со своим назначением (с целью улучшения обрабаты-
ваемости) ;
3) при изготовлении некоторых тонкостенных отливок
с целью получения
магнитной проница-
емости) ;
4) при производ-
стве ковкого чугуна,
когда исходную це-
ментите - перлитную
структуру основной
массы белого чугу-
на необходимо пре-
вратить в феррит-
ную или перлито-
ферритную.
Из изложенной
ранее теории графи-
тизации ясно, что подобггую термическую обработку, в особен-
ности для серого чугуна, можно вести при температурах как
выше, так и ниже критической (рис. 73). Это объясняется не-
устойчивостью карбидов во всем температурном интервале. При
этом время выдержки отливок из серого чугуна в подкритиче-
ском интервале (кривые /, 2, 3) зависит от температуры и
склонности чугуна к графитизации, т. е. от его состава, струк-
туры и происхождения.
Многочисленные литературные данные показывают, что
процесс графитизации протекает тем быстрее, чем выше тем-
пература и больше содержание графитизирующих элементов.
Элементы, препятствующие графитизации, например хром,
наоборот, затягивают процесс отжига (рис. 74).
По данным С. А, Салтыкова время, необходимое для графи-
тизации 50% перлита в чугуне с 2% Si, составляет:
Температура, °C
Время, час.
700 600 550
0,5 5 14
При этом нагрев и охлаждение отливок после выдержки
могут быть проведены с любой интенсивностью. Однако сле-
дует иметь в виду, что во время нагрева и охлаждения также
происходит процесс графитизации чугуна.
Низкотемпературный отжиг практически больше всего при-
годен для отливок из серого чугуна, так как содержание крем-
ния в нем и наличие графита обеспечивают достаточную ско-
рость графитизации при относительно низких температурах.
W кристаллизация и структурой разованае в Ч&гупб
В случае же белого чугуна процесс графитизации в подкрити-
ческой области идет с очень малой скоростью, что вызывает
необходимость ведения отжига при температуре выше крити-
ческой. Разумеется, что этим способом можно повысить степень
Рис. 74. Влияние температуры, времени выдержки
и содержания хрома на графитизацию чугуна при от-
жиге н подкритическом интервале.
графитизации не только отбеленного пли белого, но и серого
чугуна (рис. 73, кривые 4, 5, а).
При переходе через критический интервал перлит превра-
щается в аустенит. Этот процесс протекает сравнительно быст-
ро и не требует длительной выдержки. Для получения -твердого
раствора достаточна выдержка, обеспечивающая полный про-
грев отливки (около J часа на каждые 25 мм толщины).Даль-
нейшая выдержка необходима только в случае наличия струк-
турно-свободных карбидов (для отбеленного, половинчатого или
белого чугуна). Продолжительность этой выдержки (первой
стадии графитизации) зависит от выбранной температуры, со-
става и структуры чугуна’ и практически колеблется от 0,5 до
60 час. Она наибольшая для белого чугуна (рис. 73, кривая 6),
и в tteii почти нет надобности при сером чугуне (рис. 73, кри-
вая 4), когда структурно-свободные карбиды в надкритической
области отсутствуют.
В последнем случае осуществляется только вторая стадия
графитизации во время медленного прохождения критического
интервала. При этом чем больше константа графитизации чу-
гуна, тем больше может быть скорость охлаждения в крити-
ческом интервале. Простой серый чугун в этом случае можно
охлаждать в критическом интервале со скоростью 60— 1207час.
Температура же нагрева практически может не превосходить
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 135
850°, так как при достижении этой температуры перлит уже
успевает превратиться а твердый раствор.
В случа’е отбеленного или белого чугуна температура пер-
вой стадии графитизации колеблется в пределах 900—1000°,
а скорость охлаждения в критическом интервале от 3 до
40О°/час. в зависимости от состава чугуна и желаемой струк-
туры. После прохождения критического интервала дальнейшее
охлаждение может быть проведено, с точки зрения графитиза-
ции, с любой скоростью.
б) Термическая обработка с целью пониже-
ния степени графитизации. Такая термическая обра-
ботка применяется, когда желательно повысить механические
свойства чугуна, увеличить твердость, сопротивление износу
и т. д. В этом случае требуется получение перлитной или даже
мартенситной структуры. Подобные структуры не всегда уда'ег-
ея получить сразу в литье, и тогда приходится изменять струк-
туру отливок посредством соответствующей термической обра-
ботки.
Необходимо отметить, что подобная термическая обработка
с целью уменьшения степени графитизации ни в коем случае
нс может быть проведена при температуре ниже критической,
так как без предварительного перевода в твердый раствор сво-
бодный углерод не может превратиться в связанный. Наоборот,
нагрев п выдержка чугуна в подкритическом интервале всегда
приводят к противоположному результату, т. е. к уменьшению
количества связанного углерода, какие бы большие скорости
охлаждения ни применялись после выдержки. Действительно,
исследования Г. Н. Николаева, Тиммонса и др. показали, что
содержание связанного углерода в чугуне после 1 часа выдерж-
ки при разных температурах (с последующим охлаждением
в воде) изменяется следующим образом:
Температура нагрева, °C —• 650 635 7ВО 730 760 785 825 845 870
Ссвв простом чугуне. % 0,69 0,540,380,090,090,000,05 0,47 0,590,67
Ссв в легированном чу-
гуне, % 0,7 0,650,63 0,59 0,47 0,45 0,42 0,60 0,69 0,76
Таким образом, уже во время нагрева происходит некото-
рая графитизация тем в большей степени, чем более благопри-
ятны условия для этого процесса. Из приведенных данных яс-
но, что повышение количества связанного углерода против ис-
ходного наступает только при температурах выше 850—900°.
Процесс термической обработки для уменьшения степени
графитизации отливок всегда ведется при температуре выше
критической и состоит в том, что ферритная, феррито-перлит-
ная или перлитная структуры основной массы соответственно
превращаются в перлитную, сорбитообразную или мартенсит-
136
Кристаллизация и структурообразоваяие в чугуне
ную. Так как графит сравнительно медленно переходит а рас-
твор, то для образования ^-раствора из феррита и графита
нужно соответствующее время, большее, чем для перлита.
Скорость растворения графита зависит от формы его вы-
делений и температуры. Чем мельче выделения графита и чем
выше температура, тем скорее идет растворение углерода
Рис. 75, Вл иначе температуры н времен» пидержки па раство-
римость графита и образование перлита и ферритном чугуне.
и тем меньше времени можно выдерживать отливку для полу-
чения твердого раствора надлежащей концентрации, как это
следует из работ Л. М. Бочвара и др. (рис. 75).
С увеличением температуры и времени выдержки количест-
во графита, переходящего в раствор, повышается, вследствие
чего увеличивается количество перлита при последующем охла-
ждении чугуна. Таким образом можно подобрать условия тер-
мической обработки для обеспечения твердого раствора с жела-
емой концентрацией углерода. От скорости последующего охла-
ждения зависит температура превращений, а следовательно, и
получение той пли иной структуры основной массы чугуна.
С увеличением скорости охлаждения критическое превращение
переходит в область более низких температур с образованием
дисперсных форм перлита, а в некоторых случаях — игольча-
того троостита и мартенсита. Этот процесс значительно облег-
чается соответствующим легированием чугуна элементами,
уменьшающими скорость превращения или понижающими кри-
тические точки (Ni, Мп, Сг, Ми и т. д.).
Для примера на рис. 76 представлены, по литературным
данным, условия получения мартенситной структуры в чугунных
Влияние разных факторов на кристаллизацию и структуру чугуна 137
отливках в зависимости от содержания никеля, способа охлаж-
дения и толщины отливок. Чем больше толщина отливок
и скорость охлаждения после термической обработки, тем
меньше нужно никеля для обеспечения образования мартен-
ситной или иной дисперсной структуры. Дальнейшее повыше-
ние содержания никеля пли скорости охлаждения имеет своим
следствием частичное или полное
образование аустенитной струк-
туры.
Следует еще раз подчеркнуть,
что положение кривых изотерми-
ческого распада, а следователь-
но, и характер структуры при
охлаждении после выдержки в
надкритической области, зависят
и от ряда других факторов, в ча-
стности от присутствия центров
кристаллизации, величины зерна
Рис. 76. Ооразоианне мартенсит-
ной структуры в чугуне в зави-
симости От содержания никеля,
толщины отливки и условий
охлаждения.
и т. д.
Наличие зародышей (графита,
карбидов, фосфидной эвтектики,
включений разного рода, остат-
ков нерастворившихся фаз п т. д.),
а также размельчение зерна, препятствуют переохлаждению.
Они повышают критическую скорость охлаждения, требуют бо-
лее интенсивного охлаждения (резких закаливающих сред) для
обеспечения той или иной структуры н с этой точки зрения не-
желательны. Так как быстрое охлаждение может привести па
практике к образованию трещин или к короблению отливок, то
понятно стремление литейщиков по возможности уменьшать ско
рость охлаждения. Это достигается соответствующим легиро-
ванием.
Во всех случаях следует иметь в виду, что термическая об-
работка серого чугуна, изменяя в любом направлении характер
основной металлической массы и количество графита, не в со-
стоянии значительно повлиять на форму графитных выделений,
в особенности в направлении их размелкчення. Это объясняется
тем, что кристаллизация графита при охлаждении происходит
на существующих выделениях. Наоборот, всякая длительная
выдержка при повышенных температурах ведет к естественной
коалесценции и, следовательно, к некоторому укрупнению гра-
фита1.
1 I. Н. Николаев обнаружил некоторое уменьшение длины выделений гра
фита при нормализации и эакрлке, что объясняется частичным растворением
Графита в надкритической области. Естественно, что это растворение пропс
ходит V крайних острых концов пластинки графита.
Отдел второй
СВОЙСТВА ЧУГУНА
ГЛАВА III
ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА ЧУГУНА
Литейные свойства (жидкотекучесть, усадка и связанные
с ней явления,склонность к ликвации и образованию газовых ра-
ковин и неметаллических включений) 1 характеризуют чугун, как
литейный материал. Чугун отличается в этом отношении высоки-
ми свойствами. Они обусловлены, с одной стороны, составом чу-
гуна, определяющим его положение по отношению к эвтектике,
а с другой стороны — графитизацией.
1. ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ
Высокая жидкотекучесть чугуна, как показали современные
исследования, определяют не только его способность заполнять
форму и воспроизводить самые тонкие ее очертания, ню также,
способствует хорошему питанию отливок и беспрепятственному
удалению газов из металла, что уменьшает опасность получения-
пороков (усадочных и газовых раковин, пористости, горячих
трещин ит, д.).
Экспериментально жидкотекучесть определяется измерением
пути, проходимого металлом в форме (рис. 77).
Аналитическое определение жидкотекучести очень сложно,
так как оно зависит от многих факторов; физических свойств
металла, условий теплопередачи, конструкции отливки, техноло-
гии форм и т- д. Поэтому формулы, предложенные для опреде-
ления жидкотекучести, имеют приближенный и качественный
характер. Например, формула Ю. А. Нехендзи в несколько изме-
ненном виде представляется- следующим образом:
k = щ = k V— с ~ + mL = 1?^- + mL (73)
1 о А,— (ф a '
где
у — средняя скорость движения металла в форме,
t м/сек;
т —время течения, сек;
R — приведенная толщина отливки или пробы на жид-
котекучесть, см;
i Общая теория литейных свойств рассматривается подробно в курсе
Теоретические основы литья металлов». Во избежание повторении основное
гшимание' в дальнейшем уделено только особенностям чугуна.
t
Свойства чугуна
140
d — Уд. вес металла, г!см3\
я — козфициент теплоотдачи, кал/см- сек °C;
с — теплоемкость металла, кал1? °C;
t«—f0—перегрев над температурой нулевой текучести;
m — относительное количество твердой фазы, при кото*
ром наступает нулевая текучесть;
скрытая теплота кристаллизации, «ол/з;
tM—(ф — переменная разность температур между металлом
и формой;
к и ki — коэфициенты пропорциональности.
Согласно этой формуле, жидкотекучесть чугуна (X) тем вы-
ше, чем больше скорость движения металла в форме (v)чем
больше его теплосодержание по отношению к температуре нуле-
вой текучести [dc(t —dmL], чем больше приведенная
толщина отливки (R) и цем меньше интенсивность отвода тепла
через форму [ ?. (tM —f,,)]. При этом главную роль играет период-
движения металла в форме до достижения' температуры ликви-
дуса. Жидкотекучесть же в периоде кристаллизации имеет отно-
сительно небольшое значение, в особенности при высоких темпе-
ратурах заливки (/,,.) и нормальном давлении.
Как видно из формулы (73), жидкотекучесть определяется
в основном условиями теплообмена между металлами .и формой.
Изменение физических свойств жидкого чугуна, его вязкости и
поверхностного натяжения, оказывает значительно меньшее вли-
яние на жидкотекучесть, чем условия теплопередачи.
Динамическая вязкость ( i ) чугуна, как и большинства других метал-
лов, сравнительно Мало отличается от вязкости воды, во значительно отли-
чается от вязкости шлаков:
НОЛЯ Чугун Шлаки
2ь° 1200-1400° 1 з 00 -14000
Козфициент вязкости
rltz.CMceK........ 0,0102 0,02-0,04 0,5—30
КшЕематическая аязкость (—)
d
Ч, г/с к сек d, г/смг
Вода 20° 0,0102 1,0
Чугун
121)0 -1403° 0,02—0,04 6,9—6,8
чугуна меньше даже, чем у воды:
1 = , см* сек
а
0,0102
0,0!'3—0,0С6
Это приводит к соответствующему увеличению числа (критерия)
вольдса:
О.') v
Re=—= 4А?~, (74)
1 Опыты Н. Г. Гяршовнча, Ю. Л. Нехсндзи и В. М. Шпейзманд на спе-
циальном приборе Показали, что скорость движения металла в спирали
является переменной величиной, понижающейся от 1,0—1,5 м/сек в начале
движения до 0,6—0,7 м/сек в койне его.
Литейные свойства чугуна
Hi
где v — средняя скорость движения металла в канале;
м — козфициент кинематической вязкости;
О — диаметр круглого канала или, в общем виде, учетверенный гид-
равлический радиус (4R) I.
С увеличением числа Рейнольдса связано уменьшение потерь при дви-
жении металла. Таким образом, уменьшение коэфициентов вязкости (>„ т)
увеличивает, при прочих
равных условиях, число
Рейнольдса и повышает
жидкотекучесть чугуна. Од-
нако это в полной мере
справедливо, главным об-
разом, для ламинарного по-
тока, который практически
никогда не осуществляется
при движении чугуна в
форме.
Действительно, ламинар_
нь(й поток, как известно
возможен при Re < Re«p .
Принимая для чугуна, как
и для других жидкостей
Repp, равным 2360, опре-
делим критическую ско-
рость движения чугуна в
форме:
1?<'кр
и„рв_у =
2300
= ——(0,003-0,006) =
4 к
/1,7 3,4\
-------— } см/сек. (Л>)
\ f\-i\ /
Легко подсчитать, что
даже в самых тонкостен-
ных отлиоках при R =
— 0,125 см (толщина стен-
ки 2.5 мм) критическая
скорость движения состав-
ляет только 13,5—
27,0 см!сек, что значитель-
но меньше обычной факти- _ „„ „
ческой скорости. Поэтому Pllc- 78- Вязкость серого (сплошные линии) и
Движение чугуна в форме белого (пунктирные линии) чугунов.
носит всегда ту рбул ентн ы ii
характер. При турбулентном же движении зависимость потерь от числа
Рейнольдса выражается в сравнительно небольшой степени. Поэтому измене-
ние вязкости чугуна оказывает па жидкотекучесть ограниченное влияние.
Величина коэфициентов вязкости зависит от многих факторов и прежде
1 Гидравлический радиус (/?) представляет отношение площади сечения
потока к смоченному периметру. Таким образом, гидравлический радиус
D
аналогичен приведенной толщине R = —- .вследствие чего диаметр заме-
4
ияется учетверенным гидравлическим радиусом (D == 4Л) в формуле (74).
142
Свойства чугуна
всего, конечно, от температуры и состава жидкого чугуна. Как показывают
литер;ггурНии> данные (рис. 78). вязкость чугуна уменьшается с повышением
температуры и содержания углерода, причем у серого чугуна она больше,
чем у белого. Это объясняется большим количеством субмикроскопическнх
включений графита в сером чугуне н подтверждайся тем. что при вы-
держке жидкого чугуна При постоянной температуре вязкость его умепь
Шлется (графит переходит в раствор). По Эгон причине модифицирование
Рис. 79. Влияние углерода, кремнцн, марганца, серы и сросфора на относи-
тельную вязкость жидкого чугуна:
а — орк постоянном перегреве кпд ликвидусом; б — при гпхтоджоЙ температуре
чугуна путем присадки ферросилиция увсличипает вязкость. Выдержка жид-
кого чугуна после модифицирования, наоборот, способствует удалению или
растворению включений и уменьшает вязкость.
Влияние элементов на вязкость чугуна научено в очень малой степени.
Имеющиеся литературные данные показывают, что кремний, марганец и фос-
фор уменьшают вязкость чугуна, если вести испытание при одинаковом пе-
регреве над ликвидусом (рис. 79, а). Тем более, конечно, и еще резче умень-
шается вязкость с повышением концентрации этих элементов, если делать
сравнение при постоянной температуре .(рис. 79, 6), так как при этом пони-
жается температура ликвидуса и. следовательно, повышается относительный
перегрев над ликвидусом. Сера наоборот, повышает вязкость чугуна. При
этом вязкость повышается особенно резко в присутствии включений MnS.
Что касается поверхностного натяжения ( -) жидкого чугуна, то оно
сравнительно велико и, согласно И. Л. Кунину н Ю. Л, Клячко, Зауэр-
вальду и др., повышается с температурой (по крайней мере в исследован-
ном интервале):
Температура, 'С 1150 1300 1225 1250 1300 J310 1350
а серого чутучя (Я,3%С,
2.76% Sk 0.49% Р). — — 826 846 880 926
и Т^М1С0пГКЛГ0 чу ГУЩ
(ЗЛ2%С. 0,65% Si, 1,6% Р), 1054 1071 -- 1088 1105 JJ08
dfJW ‘ГЛ
При уменьшении содержания углерода до 2.2% поверхностное натяже-
ние чугуна увеличилось до 1500 0ин/см при 1420°, Таким образом, умень-
। Поверхностное натяжение поды (18°) —73 дин/см, меди после распла-
вления — 580, платины — 1820 дин.'см.
Литейные свойства чугуна
143
шение содержания углерода, связанное с повышением температуры плав-
ления чугуна. Увеличивает его поверхностное натяжение. Понижение же со-
держания фосфора уменьшает поверхностное натяжение. Между тем ооа
элемента (С н Н) оказывают благоприятное влияние па жидкотекуч ее г ь.
Из ?того следует, чго поверхностное натяжение, как и вязкость, в боль-
шинстве случаев не является определяющим фактором для жидкотекуче-
сти. Действительно, добавочный напор, необходимый для преодоления сил
поверхностного пптяжепия чугуна, определяется по формуле;
2 г 2-1 0,3
Л -=----=-------як----- см,
rd г • 6,9 г
(76)
где г — радиус шнгдла;
d—уд. вес жидкого чугуна, принятый равным 6,9 г/см3',
- — поверхностное натяжение, принятое равным 1000 дан/см ~ 1 г/см.
Для обычных толщин отливок добавочный напор не играет, следова-
тельно, значительной роли, и только при заполнении острых граней или
углов вь'сокое поверхностное натяжение может представить большое пре-
пятствие. Существенное влияние в этом отношении может оказать смачи-
вание металлом стенок формы и стержней, что определяется силами взаи-
модействия между чугуном и формовочной смесью. Как правило, чугун не
смачивает стенок формы, но при наличии растворимых окпелов начинается
иногда положительное взаимодействие между чугуном и формой, т. с на-
ступает явление смачивания. Оно способствует заполнению острых граней
и углов, но три этом следует опасаться, чтобы при возрастании сил взаи-
модействия между металлом и формой не начались соответствующие хими-
ческие реакции, которые способствуют образованию пригара.
Таким образом, влияние поверхностного натяжения на жидкотекучесть
чугуна весьма ограничено. Гораздо большее значение имеют оксидные
пленки или включения в чугуне, представляющие уже серьезные препят-
ствия для течения металла.
а) Влияние температуры заливки. .С повышением
температуры заливки увеличиваются теплосодержание, а следо-
вательно, и жидкотекучесть чугуна.- Влияние этого фактора на-
столько велико, что температура заливки является- главной пе-
ременной, изменением которой достигается необходимая жидко-
текучесть чугуна для заполнения разных форм.
В среднем можно принять, что при повышении температуры
заливки на 10°, длина спирали сечением 50 мм2 увеличивается
на 4 см. Такая зависимость между жидкотекучестью и темпера-
турой подтверждается большинством исследований /рис. 80).
При этом в некоторых случаях, как то впервые показал
ГО. Л. Нехендзи, обнаруживается закономерная тенденция
к уменьшению влияния температуры по мере увеличения пере-
грева (рис. 80, кривая 2}.
С уменьшением температуры заливки жидкотекучесть падает.
Это особенно заметно при понижении температуры ниже ликви-
дуса вследствие выделения твердой фазы в интервале кристал-
лизации. По той же причине падает жидкотекучесть чугуна при
температурах, близких к ликвидусу, в результате образования
зародышей на основе колебания плотности и температур в жид-
ком чугуне.
144
Свойства чугуна
б) Влияние состава чугуна. Исследования А. А. Боч-
вара и др. ясно доказали связь между жидкотекучестью сплава
и его положением на диаграмме состояния. Общая законо-
мерность, подтверждающаяся не только на цветных, но и на
Рис, 80. Влияние температуры залив-
ки на жудкотекучесть чугуна:
1 — Гкршознч- 2 — Нехсндэи н Хахалкм;
3 — Циглер; 4 — Эндрю
жидкотеку-
постоянном
ликвидусом
Не—. С-сплавах, заключается в
том, что жидкотекучесть
уменьшается с увели-
чением интервала за-
твердевания.
Максимальная
честь чугуна при
перегреве над
(истинная жидкотекучесть
по терминологии Ю, А. Нехен-
дзи) соответствует эвтектиче-
скому составу. Такая зависи-
мость объясняется характером
первичной кристаллизации. Чу-
гун с большим интервалом за-
твердевания склонен к более
развитой дендритной кристаллизации. Образующиеся на стенках
канала и внутри движущейся струи чугуна дендриты первичного
аустенита уменьшают жидкотекучесть металла. Кроме того, они
способствуют более интенсивному теплоотводу. Поэтому доста-
точно уже 10—20% твердой фазы, чтобы течение чугуна стало
невозможным, в то время как в эвтектическом чугуне значение
коэфициента m в формуле (73) достигает 30%. В связи с этим
малоуглеродистый чугун, располагающийся близко к границе
между сталью и чугуном (около 2,0% С), характеризуется ми-
нимальной истинной жидкотекучестью. Наоборот, эвтекти-
ческий чугун отличается наибольшей истинной жидкотеку-
честью. Тем более, следовательно, велика так называемая прак-
тическая жидкотекучесть эвтектического чугуна (жидкоте-
кучесть при постоянной температуре), так как с приближением
к эвтектическому составу температура ликвидуса понижается
и относительный перегрев над ликвидусом (fffi—ta) увеличи-
вается. Поэтому многие исследования показывают, что углерод,
кремний, фосфор и марганец повышают практическую жид-
котекучесть в доэвтектическом чугуне и понижают ее в заэв-
тектическом чугуне (рис. 81). Ошибочно думать, что для повы-1
шения' жидкотекучести можно беспредельно увеличивать концен-
трацип углерода, кремния и фосфора. Оптимальная жидкотеку-
честь получается при эвтектическом составе. Свыше эвтектиче-
ского содержания углерода, кремния и фосфора жидкотекучесть
падает.
Литейные свойства чцечна
145
Как видно из рис. 81, не все эвтектические чугуны характеризуются оди-
наковой жидкотекучестью. Например, с увеличением содержания кремния
в эвтектических чугунах жидкотекучесть падает, а с увеличением содержания
фосфора переходят через минимум, соответствуют и А составу А% С и 1% Р.
Поэтому для полуЧС1Н1Я наибольшей жидкотекучести кажется целесообраз-
ным пользоваться эвтектическим чугуном с максимальным содержа ин ем уг-
лерода, в особенности при высоких температурах заливки. При низких тем-
Рис. 81, Влияние углерода, кремния, фосфора и марганца на практическую
жидкотекучесть чугуна
поратурах заливки высокое содержание фосфора в эвтектическом чугуне мо-
жет оказаться более благоприятным, чем соответствующее количество угле,
рода, так как фосфор понижает эвтектическую температуру. Кроме того,
фосфор понижает вязкость чугуна и повышает смачиваемость металлом
Стенок формы, вследствие чего получаются более острые грани на отлнз-
нах. Поэтому для тонкого и художественного литья пользуются чугуном
.с повышенным содержанием фосфора (до 1.0%). «
Следует отметить, что с увеличением содержания кремния в чугуне наб-
людаются дна максимума (0,3 и 0.75%) и два минимума (0,5 и 0,95%) на
кривых практической жидкотекучести (рис. 81). Эти аномалии не получили
еще должного объяснения и нуждаются и подтверждении. При очень вы-
соком содержании кремния (6—18%) жидкотекучесть чугуна снижается
-вследствие образования большого количества включении (S>O2) и спели
в чугуне. Все же при эвтектическом составе и этот чугун обладает еще
достаточно хорошей жидкотекучестью, обеспечивающей заполнение срав-
нительно тонкостенных отливок.
Влияние марганца аналогично влиянию кремния и фосфора,
.но значительно меньше по интенсивности. При наличии же высо-
кого содержания серы марганец, образуя MnS, резко понижает
жидкотекучесть чугуна, что приводит к большому браку по не-
доливам и спаям.
В отношении влияния серы на жидкотекучесть маломарганцо-
вистого чугуна существует мало систематических исследований.
Практические наблюдения и некоторые литературные данные
убедительно говорят о повышении вязкости н понижении жидко-
текучести чугуна с увеличением содержания серы свыше 0,18%.
Сведения о влиянии легирующих элементов на жидкотеку-
честь чугуна чрезвычайно скудны и ограничиваются, главным
ДО 3«. 805
146
Свойства чугуна
образом, качественной оценкой. Исследования П, Г, Петрова
установили, что никель не оказывает заметного влияния на жид*
котекучееть. В противоположность никелю, медь действует на
жидкотекучесть чугуна явно положительно. Хром же понижает
жидкотекучесть, в особенности при содержании свыше 1%, Так,
например, П. Н. Бидуля нашел следующее влияние хрома на
жидкотекучесть чугуна:
Сг %................... 0,2 0,4 1,0 1,66 1,87 2,65 3,31
Жидкотекучесть А, см . . > 72 60 64 60 47,5 42,5 й 35
Это влияние хрома объясняется повышением температура
ликвидуса в хромовом чугуне и образованием оксидных пленок.
Также неблагоприятно действует молибден, ьанадий, алюминий
и др. Однако при малых концентрациях влияние этих элементов
на жидкотекучесть чугуна мало заметно.
в) Влияние жидкого состояния чугуна. Жидкое
состояние чугуна также оказывает некоторое влияние на его
жидкотекучесть. Так, например, некоторые исследования пока-
зывают, что с увеличением температуры перегрева чугуна жид-
котекучесть его повышает*
ся даже в том случае»
когда температура залив-
ки остается без измене-
ния (рис. 82).
Объяснение этого яв-
ления следует искать в
растворении всякого рода
микроскопических и суб-
микроскопических твер-
дых фаз (в том числе
графита) при увеличении
перегрева чугуна,что при-
водит к повышению жид-
котекучести, Таким обра-
зом, температура пере-1
грева чугуна действует в
том же направлении, что
и температура заливки.
По той же причине
модифицирование, повы-
Рис. 82, Влияние температуры перегрева
и заливки чугуна на жидкотекучесть:
1 — температура перегрева 16504 температура
задщвки 15404 g — температура перегрева 1540*3,
температура заливки 1540^; 3 — температура
перегрева |540э, температура заливки 14300; 4__
температур,! перегрела 14304 температура за-
ливки |430о
шая вязкость жидкого чугуна, несколько понижает его жидко-
текучесть. Например, в некоторых исследованиях было обнару-
жено, что при присадке силикокальцня длина спирали при из-
мерении жидкотекучести уменьшилась с 62 до 46 см.
С Другой стороны, присадка соды или сложных модификато-
ров (Ai —Ti —Si) увеличивает жидкотекучесть, если при этом
Литейные свойства чдг//«а
147
не происходит понижения температуры. Это объясняется очище-
нием металла от включении благодаря образованию легкоплав-
ких соединений.
Так как «наследственные» свойства чугуна определяются
устойчивым содержанием газов и неметаллических включении
и формой графита в исходных материалах, то естественно, что
и жидкотекучесть чугуна определяется в известной мере проис-
хождением сырых материалов. Так, например, в 'исследованиях
ГТ П. Берга и Н. В. Димитриева было найдено:
Происхождение Магнито-
чугуна .... Липецкий горский
Жидкотекучесть
при 1385° а, см 53 43
Краматор-
ский
37
Алмазнян-
скнй
35
Эти данные, однако, нельзя рассматривать как постоянные.
При изменении условий плавки изменяется и жидкотекучесть
чугуна. Всякое увеличение количества газов и включений, я так-
же укрупнение выделений графита в шихтовых материалах,
уменьшают жидкотекучесть. Точно так же и многократный пере-
плав чугуна в вагранке, как показали П. П. Берг и И. В. Дими-
триев, может привести к уменьшению его жидкотекучести вслед-
ствие насыщения металла газами и включениями:
№ переплава ....
Жидкотекучесть а, с .и
12 3 4
70 40 30 15
По той же причине увеличение содержания стали в шихте
уменьшает жидкотекучесть чугуна даже в том случае, когда со-
став металла (судя по обычному химическому анализу) остает-
ся без изменения. Наоборот, плавка на древесноуголъном, а так-
же на специально перегретом в жидком состоянии чугуне повы-
шает жидкотекучесть.
Согласно исследованиям Ю. А. Шульте на заводе «Комму-
нар» присадка руды в электропечь для создания окислительного
характера шлаков с целью ошлакования включений кремнезема
в металле повышает жидкотекучесть и необходима для хороше-
го заполнения тонкостенных отливок.
г) Влияние технологии формы. Жидкотекучесть чу-
гуна определяется в значительной мере конструкцией отливки,
сопротивлением формы и тепло-физическими константами ее ма-
териала. Очевидно, что факторы, повышающие сопротивление
движению металла в форме и ускоряющие охлаждение, умень-
шат время его течения и понижают жидкотекучесть.
Исследования автора показали, что с повышением влажности
формовочной смеси до 6% и содержания1 угля до 7% жидкоте-
кучесть чугуна сначала увеличивается, а затем падает (рис. 83).
Ю*
148
Свойства чугуна
Благоприятное влияние небольших добавок влаги и угля
объясняется созданием паровой пли газовой рубашки между
металлом и стенками формы. По этой же П|шчи1ге1 как пока-
зали В. И. Фуидатор и М.
Рис. 83. Влияние влажности и
содержания угля в формовоч-
ной смеси на жидкотекучесть
малокремнистого чугуна
М. Левин, жидкотекучесть повы-
шается при покрашенной графи-
том форме, при добавке мазута
(до 2%) в формовочную смесь н
при применении припылов. При
большой же влажности формо-
вочной смеси или высоком со-
держании в ней газотворных ве-
ществ
резко
обильного парообразования, что
не только ускоряет охлаждение
чугуна, но и повышает сопротив-
жидкотекучесть чугуна
понижается вследствие
ленце его движению в форме.
Состав формовочных смесей
влияет также на поверхностное
натяжение чугуна и способность
его давать острые грани на отливках. В этом отношении оказы
ваются полезными органические добавки всякого рода, вслед-
ствие чего формовка в стержнях дает хорошее заполнение тон-
ких сечений и ясные очертания на отливках.
С другой стороны, применение металлических форм, как
это видно из некоторых литературных данных (рис. 84), зна-
чительно уменьшает жидкотекучесть чугуна вследствие повы-
шенной теплоотдачи. Подогрев же формы действует, как пока-
зали опыты Н. Н. Рубцова и др., в обратном направлении-
Некоторое влияние на жидкотекучесть имеет также гидро-
статический напор. Опыты показали, что повышение высоты
стояка на 100 мм увеличивает длину спирали сечением 50 мм2
с 200 до 250 см. Согласно же исследованиям автора, увеличе-
ние гидростатического напора до 180 мм повышает жидкотеку-
честь чугуна; дальнейшее увеличение напора действует уже
в обратном направлении вследствие охлаждения металла при
движении по длинному стояку. Однако такое образование
максимума характерно только для тонких сечений, в том числе
для проб на жидкотекучесть, когда количество металла, запол-
няющее собственно форму, мало по сравнению с металлом
литниковой системы. В других условиях стояк успевает хоро-
шо прогреться и не действует столь отрицательно на жидко-
текучесть. Поэтому во многих случаях пользуются повышением
напора для лучшего заполнения формы н для уменьшения бра-
ка по недоливу и спаям на тонкостенных чугунных отливках.
Литейные свойства чугуна
149
Жидкотекучесть может быть значительно повышена также
путем применения высоких давлений, как это имеет место при
литье под давлением. В Этом случае хорошее заполнение фор-
мы и получение ясных очертаний обеспечивается и при пони
женнои температуре залив'
ки, в том числе даже в ин-
тервале кристаллизации.
Наконец, следует отме-
тить, что немалое влияние
на жидкотекучесть чугуна
имеет сечение питателей.
Опыты автора показали, что
между жидкотекучестью (X)
и сечением питателя (F Г[)
существует следующая за-
висимость:
к = й/К. (77)
Таким образом, жидко-
Рис. 84, Сравнительная жидкотекучесть
чугуна с разным содержанием кремния
и марганца при заливке в песочные
и металлические формы
текучесть чугуна является
функцией многих перемен-
ных, характеризующих ме-
талл, форму и условия за-
ливки. Ввиду сложности
этой зависимости, она не
поддается пока точному математическому расчету. Поэтому для
каждой отливки в данных условиях приходится подбирать со-
став чугуна, температуру заливки и конструкцию литниковой
системы для обеспечения заполнения формы. На основе опыта
и практических соображений можно,
например, рекомендовать:
Толщина стенок, . 3—6
Минимальная жидкотеку-
честь (по стирали сече-
нием 50 лгж*), см . . . . 50—70
6—15 16—25 25
40—50 30—40 20-30
2. УСАДКА
Общий вид кривых объемной усадки серого и белого чу-
гунов при понижении температуры представлен на рис. 85- Из
рисунка видно, что в жидком и твердом состояниях происхо-
дит обычное умепыиение удельного объема чугуна при пони-
жении температуры. В процессе же затвердевания может про-
исходить сокращение или увеличение объема (белый чугун
уменьшается, а серый увеличивается в объеме).
If о
Свойства чугуна
Усадка в жидком состоянии рл) и во время затверде-
вания ( ?3 ) определяет образование усадочных раковин в от-
ливках. Усадка же в твердом ^состоянии является главной
составной частью общей литейной усадки, определяющей раз-
ницу между линейными размерами модели н отливки.
В зависимости от состава чугуна, конструкция и скорости
охлаждения отливки, способа формовки и степени торможения
свободной усадки, а также режима термообработки и точности
изготовления формы, величина литейной усадки чугунных от-
ливок может колебаться от —0,5 до + 2,5 % !-
Чем выше точность изготовления отливок, тем большее
значение имеет знание истинной величины литейной усадки.
Мелкие чугунные отливки изготовляются обычно в пределах
3—8-го классов точности. При применении металлических
форм или каких-либо особых технологических приемов точ-
ность изготовления мелких чугунных отливок доходит до 7—
6-го классов.
При литье под давлением или при способе выплавляемых
и выжигаемых моделей точность доходит до 5—4-го или даже
3-го класса. Стандартность условий производства и знание
всех факторов, влияющих на величину литейной усадки, имеют
большое практическое значение при изготовлении отливок
с повышенной точностью.
а) Усадка чугуна в жидком состоянии. Усад-
ка в жидком состоянии (е,1( ) является одной из причин обра-
зования в отливке усадочных раковин. Величина этой усадки
зависит от коэфициыдта объемной усадки ( йж) и температур-
ного интервала охлаждения в жидком состоянии (t;H—t.,);
100аж(/ж-/л), (78)
где —температура заливки;
(л — температура ликвидуса.
Как видно из рис. 85, коэфициент усадки почти не зави-
сит от температуры. “Вместе с тем он заметно возрастает
с увеличением содержания углерода в чугуне и в малой сте-
пени зависит от содержания других элементов. В среднем
можно принять для обычного доэвтектического чугуна:
(90+ 30 С) 10—\ (79)
что соответствует аж = J80 IO'S для чугуна с 3% С.
Принимая, согласно диаграмме состояния, понижение температуры ликви-
дуса на 90° при увеличении содержания углерода на 1%, определим:
Г5к-./л«/}„ —(1.140 —9+С) (F0)
1 Злак минус означает, что усадка отрицательна и отливка имеет раз-
меры большие, чем модель. Злак плюс означает положительную усадку,
вследствие че,~о размеры отливки меньше, чем у модели. Последний случай
является нормальным н наиболее распространенным.
Литейные свойства чугуна
151
и поэтому: е,к = 100 ат (/ж — /л) = 100 aIK (/„е + 9О’С — 1540). (81)
Повышение содержания углерода в чугуне увеличивает, таким образом,
усадку и жидком состоянии при постоянной температуре заливки по двум
причинам: ьслгдстиие соответствующего увеличения коэфициснта усадки и
повышения относительного перегрева над ликвидусом.
Пользуясь формулами (79) и (81). можно рассчитать изменение величины
усадки в жидком состоянии при изменении содержания углерода в чугуне
как при постоянной температуре, так и при постоянном перегреве над ликви-
дусом. В последнем случае увеличение еж происходит значительно медлен-
нее (только за счет и,к);
С, о/о.....................................
при f1K = 1400°, »/о...................
гэд при /да — = 50°, %.................
2.0 2,5 3,0 3,5 4,0
0,7 1,5 2,4 3,5 4,7
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
б) Усадка чугуна во время затвердевания.
Усадка во время затвердевания ( г3 ) связана, главным обра-
зом, с изменением агрегатного состояния.
Кроме того, в периоде первичной кристаллизации чугуна
могут протекать в большей или меньшей мере процессы гра-
фитизации, раскисления и газовыделения, что обусловливает
дополнительное изменение удельного объема чугуна (расшире-
ние или сжатие), а следовательно, изменение величины усадки
во время затвердевания. Эта усадка, вместе с усад-
кой в жидком состоянии, определяет величину
усадочных раковин в отливках.
Затвердевание белого чугуна всегда сопровождается умень-
шением объема, величина которого зависит от состава метал-
ла, содержания газов, скорости охлаждения и т. д. Наиболь-
шее значение имеет интервал кристаллизации, с увеличением
которого усадка во воемя затвердевания увеличивается. При
затвердевании же серого чугуна происходит некоторая компен-
сация усадки за счет расширения при графитизации. Совокуп-
ность обоих факторов может привести в общем итоге к усадке
или расширению серого чугуна при затвердевании. Величина
этой усадки колеблется поэтому в больших пределах:
Для белого чугуна..........еа = 3 — 5 %
Для серого чугуна..........е3 = (—1.5)— (+3) %.
Так как затвердевание чуг.уна происходит в некотором интервале темпе-
ратур, то параллельно с уменьшением объема вследствие изменения агрегат-
ного состояния имеет место еще объемное сжатие в результате понижения
температуры в интервале кристаллизации. Если принять среднюю величину
усадки чугун;; вследствие изменения агрегатного состояния равной 3.0%,
а средний температурный коэфициент усадки в интервале кристаллизации 1
* Количество жидкого чугуна в интервале кристаллизация постепенно
уменьшается; поэтому средняя величина усадки жидкого металла в этом
интервале должна быть примерно вдвое меньше, чем соответствующее зна-
чение аН!.
152
Свойства чугуна
равным 100 10-е, то общая величина усадки во время затвердевания
определится:
Е» = 3,0 + ЮО . ИЮ. 10-6(4— <>)== 3.° + 1и~г((л~/а), (82)
где G— температура ликвидуса;
G — температура солидуса.
Как уже указывалось, уменьшение содержания углерода в доэвтектиче-
ском чугуне на 1 % соответствует увеличению интервала кристаллизации
ва 90°; .' й
/Л — Т8= 90(4,3 —С).
Подставляя полученное значение для 1Л— G в формулу (82), найдем:
в, = 3,0 4-0,9(4,3 —С) = 6,9-0,9С. (82а>
При графитизации происходит соответствующее увеличение объема, умень-
шающее величину усадки во время затвердевания. Выше указывалось, что
при выделении \% графита объем чугуна увеличивается примерно на 2%.
Поэтому в общем виде величину усадки во время затвердевания чугуна
можно определить:
е3 =6,9 —0,9С-2Сгр. (826)
где Сгр— количество графита (в процентах), выделенного в процессе затвер-
девания.
В частном случае, корда процесс первичной кристаллизации протекает
полностью по стабильной системе, количество графита, выделяющееся во
время затвердевания, определяется:
Сгр = С - 1,6,
где 1,6 — процент углерода в стабильном аустените серого чугуна с содер-
жанием около 2% Si.
Подставляя это значение CiP в формулу (826), найдем усадку во время
ватвердевания чугуна по стабильной системе:
еа = 6,9 —0,9С — 2 (С — 1,6) = 10,1 —2.9С.
(82в>
Пользуясь формулами (82а) и (82в), можно рассчитать величину усадки
во время затвердевания белого и серого чугунов при соответствующей кри-
сталлизации их по метастабильной и стабильной системам:
Сь % 2.0 2.5 3,0 3,5 4,0
/белый чугун +5,1 +4,6 +4,2 +3,7 +3,3
е, %< {серый чугун +4,3 4 2,8 + 1,4 +«,1 —1,5
Из приведенных данных видно, что с повышением содержания углерода
а чугуне усадка во время затвердевания уменьшается, причем серый чугун
дает увеличение объема при затвердевании только при достаточно высоком
содержании углерода.
Общее изменение объема в жидком состоянии и в процессе затвердевания
можно определить на основе формул (81 и 82):
С, %
« . +• при 1440°, % (белый чугун
(серый чугун
4- • (белый чугун
Ж 3 7
пр! t к — Гд~- 50», % (Серый Чугун
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
4-5,R 4- 6.1 4- 6,6 4- 7,2 + в,о
5.0 4- 4,3 + 3,8 4- 3,6 + 3,2
4-5.К -г 5.4 4- 6.1 -|- 4,7 4" 4,4
I 5,0 -4 3,6 + 2.3 4- 1,1 - 0.4
Так как углерод действует на усадку в жидком состоянии и во время
затвердевания з противоположных направлениях, то зависимость sn[ |-гэ от
Литейные свойства чугуна
153
содержания углерода в чугуне ослабляется- При этом в белом чугуне при
постоянной температуре заливки преобладает влияние усадки э жидком со-
стоянии. и общая усадка возрастает с увеличением содержания угле-
рода. При постоянном же перегреве над ликвидусом преобладает влияние
усадки во время затверлевання, и £;п+-'я падает с возрастанием содержания
углерода. В сером чугуне, где роль графитизации возрастает е увеличением
содержания углерода, влияние усадки во время затвердевания преобладает
Во всех случаях, п общая усадка е,„ | гэ падает с увеличением содержания
углерода. Эта зависимость особенно резко выражается при одинаковом пере-
греве чугуна над ликвидусом. При этом общая усадка в 1Г4-Тэ может стать от-
рицательной только в случае низкой температуры заливки и высокого содер-
жания углерода в чугуне.
в) Усадка чугуна в. твердом состоянии. Объем-
ная (sj, а следовательно, и линейная (г = у ет) усадка
чугуна в твердом состоянии определяется не только терми-
ческим сжатием, но и выделением газов из твердого металла,
процессами диффузии, фазовыми превращениями, графитиза-
цией, воздействием формы и т. п. Эта усадка обусловливает
размеры отливки, а ₽ известной мере также величину напря-
жений и опасность образования горячих и холодных трещин.
Как видно из рис. 85, сначала имеет место предуса-
до иное расширение (£гЯ.ш) чугуна, и* только после
этого начинается усадка, которую, в зависимости от темпера
турного интервала, можно
и поел епе р л и тн у ю.
Кроме того, следует разли-
чать полную (£Р) и ли-
те й и у ю усадку ), от-
личающиеся на величину
расширения О„=гл-НрЖ ш).
Предусадочное расшире-
ние определяется, главным
образом, процессами графи-
тизации и выделением газов
в чугуне после начала за-
Рис. 85. Общий вид кривых объемной,
усадки серого и белого чугунов
твердеваиия, отчасти же
Диффузией элементов и некоторыми другими причинами. Все
эти процессы идут с увеличением объема и вызывают расширение
чугуна после затвердевания. Особенно большое значение имеет
графитизация, но небольшое расширение наблюдается и в белом
чугуне и, как показывают литературные данные, даже в двойных
сплавах железа с другими элементами (рис. 86).
Значительное влияние имеет также газосодержание чугуна,
с повышением которого расширение увеличивается:
Количество газов в чугуне
сж’/|0() г..................’. . . . 6 16 21 38 40
ерасш. %................................. 0,0 0,0 0,02 0,02 0,16
154
Свойства чугуна
Опыты показали, что величина расширения тем больше,
чем выше температура перегрева и медленнее охлаждение,
что связа-ло с процессами поглощения и выделения газов из
Рис, 86. Влияние элементов на предусадочное расширение в усадку
двойных сплавов железа с другими элементами
чугуна. После расширения наступает усадка, которая зависит
от состава и структуры чугуна, а в особенности — от степени
графитизации:
Белый чугун . . .
Серый чугун . . . .
Доперлитная усадка
%
0,7-1 ,0
0,0—0,3
Послеперлитная
усадка.
0.4—1,0
0,9—1,0
Обшая усадка, %
1,6—2,0
0,9—1,3
Графитизация сильно уменьшает доперлитную усадку
й почти не оказывает влияния па послеперлитную, которая во
всех случаях составляет около 1%. Разница в усадке
серого и белого чугунов создается, таким обра-
зом, только за счет доперлитной усадки, которая
резко уменьшается при графитизации, доходя иногда До нуля.
Б последнем случае вся усадка серого чугуна протекает
в послеперлитном периоде и равняется примерно 1%.
Некоторое влияние на усадку в твердом состоянии оказы-
вают также фазовые превращения. Максимальное изменение
объема (расширение) сопровождает превращение f-* а, кото-
рое для чистого железа составляет около 1%, но понижается
с увеличением содержания углерода. Вследствие сжатия, кото-
рое происходит при выделении углерода из твердого раствора,
расширение это еще больше уменьшается. Поэтому фазовое
расширение при медленном охлаждении не превосходит 0,3%
по объему или 0,1% по длине. В закаленных же отливках, в ко-
торых при образовании мартенсита происходит одно только
превращение у - а без выделения углерода из раствора, рас-
ширение особенно опасно и может достигнуть 0,25—0,30% по
линейным размерам. Остальные фазовые изменения объема
значительно меньше по величине, и ими можно пренебречь.
Литейные свойства чугуна
155
г) Влипниесостаза ч у г у й а на усадку в твер-
дом состоянии. Состав чугуна определяет величину его
усадки в твердом состоянии как путем непосредственного
влияния элементов, так и путем воздействия их ца графитиза-
цию. Последний фактор является наиболее сильным, и графи-
тизирующее влияние элементов обычно превосходит легирую-
щее.
Из рис. 86 видно, что большинство элементов уменьшает
линейную усадку двойных сплавов железа. Только марганец
и углерод (свыше 2,5%) увеличивают эту усадку, причем
особенно сильно действует углерод:
Элемент.......... С Мп Si Р S Ni Сг
Изменение усадки ка
1% элемента, о/о . +0,2 +0.03 —0,12 —0,5 -0,6 —0,04 0,0
С другой стороны, выделение 1 % графита уменьшает усад-
ку чугуна на 0,24% 1. Поэтому в общем итоге графитизирую-
щие элементы уменьшают, а элементы, препятствующие гра-
фитизации, увеличивают усадку чугуна, что подтверждается
работами Ф. Н. Тавадзе и Р. Б. Звеницкой (рис. 87) и други-
ми литературными данными (рис. 88).
Как видно из рис. 88, увеличение содержания кремния в чугуне приводит
к уменьшению линейной усадки, причем главным образом за счет доперлнт-
яого этапа. При повышении содержания кремния свыше 3% усадка уже уве-
личивается, что объясняется уменьшением общего количества углерода,
а следовательно, и графита в чугуне. Точно так же и фосфор уменьшает
усадку чугуна при одном и том же содержании углерода (рис. 88 а). Если
же параллельно с повы-
шением содержания фос-
фора уменьшается содер-
жание углерода, то усадка
чугуна может остаться
без изменения (рис. 886)а
(ИИ даже увеличиться.
Влияние марганца и се-
ры связано, главным об-
разом, с соответствующим
воздействием на графити-
зацщо. Поэтому с повыше- рпс gj, Влияние углерода и кремния на усил-
ием содержания этих эле- чугуна
меитод усадка (доперлит-
иая и полная) может зна-
чительно увеличиться {рис. 886). если имеет место торможение графитиза-
ции, или остаться без заметного изменения (рис. 88а), если количество
1 Ранее указывалось, что при выделении 1% графита отливка увеличи-
вает свои линейные размеры на 0,С7%, а не па 0,24%. Это кажущееся
противоречие объясняется тем, что на усадку оказывает влияние не нее
количество графита, а только та часть, которая выделяется в чугуне после
затвердевания,
* Анализы исследованных чугунов:
£ % 3,17 3,08 3.89 Й.Я1
р> % 0.13 |,44 2,53 г.98
Свойства чугуна
156
графита в чугуне остается постоянным. Подобным же образом можно оха-
рактеризовать влияние легирующих элементов, увеличивающих усадку чу-
гуна, главным образом в том случае, когда параллельно происходит умень-
шение степени графитизации.
Учитывая влияние элементов, можно в качестве первого
приближения использовать следующую формулу для опреде-
ления линейной усадки чугуна в зависимости от его состава:
е = 1.8 + 0,2(С —2,5 —Р) + 0,03Мп —0,l2(Si +2Сгр). (83>
V-
ti-
S i 0,31г IS гр гз 2,23.23,5^ gfi S,St2t,S
гу . Кремний % Фис&р, %
#Г jJJJ2_|_L_p pzn^nXS
g :5--ЩЗЕ zEroxqz
«г
#
te-
as-
S.S.
и
Ц2
S
цр № гр зр
j i-1—i й
да ww*
И
'&
еЗ
in is 3,s &
Кремний- %
ITts !fi gi 32
Марганец, % ц Сере % Марганец, %
Полная усадна Г---° ЗёлиЬка при аысаняитемпературе----
)** о т* и низиий rt 33$ на
———Паспеперли-
те&ая района
a njis W ргз з.зггрз
б ‘
-----ДыеалилюВая
ytuSm
Расширение
й
«41
«4
Рис. 88, Влияние состава чугуна на его усадку
Формула основана на предположении, что в чугуне, так же
как в двойных Fe — С-сплавах, углерод увеличивает линейную
усадку на 0,2% на 1% С, если содержание последнего превос-
ходит 2,5%. Влияние фосфора оценено (по рис. 88 а) в 0,2%'
на 1 % Р. Влияние кремния и марганца принято по данным
рис. 86 для соответствующих двойных сплавов; а влияние
графита—0,24% на 1% выделяющегося свободного углерода.
Как показывает проверка, эта формула дает достаточно точ-
ные совпадения с экспериментальными данными.
д) Влияние скорости охлаждения, темпера-
туры перегрева и г а э о с о д е р ж а н и я на усадку
в твердом состоянии. Все факторы, определяющие ско-
рость охлаждения отливок, в значительной мере влияют на
величину усадки в твердом состоянии.
Как показывают многочисленные литературные данные,
применение сухих форм и Их подогрев, а также увеличение
толщины отливки, уменьшают усадку чугуна (рис. 89). При
этом, главным образом, понижается доперлитная усадка и уве-
личивается расширение, что является следствием графитизации
Литейные свойства чугуна
157
и более интенсивного выделения газов при медленном охлаж-
дении. Точно так же при заливке в песочные формы усадка
чугуна оказывается меньше, чем в случае применения метал-
лических форм, причем разница в усадке обусловлена, глав-
ным образом, торможением графитизации. Однако эта разни-
ца наблюдается в
некоторой степени
(до 0,2%) и тогда,
когда путем специ-
альных мер предот-
вращается торможе-
ние графитизации, В
этом случае разница
в усадке объясняет-
ся в основном тор-
можением расшире-
ния стенками коки-
ля и разницей в га-
зовыделении при за-
ливке в песочные
м металлические
отливки на усадку чугуна
-формы.
Некоторое значение имеет также разница з торможения усадки в начале
'Охлаждения отливок в песочных и металлических формах. Согласно теории
А. А, Бочпара, линейная усадка сплавов начинается с температуры между
ликвидусом и солидусом. При этом и начале охлаждения всегда происходит
торможение усадки вследствие сопротивления, которое оказывает усадке
форма. В результате образуются пластические деформации, н усадка умень-
шается. Это сказывается в тем большей степени, чем медленнее охлаждение,
так как преодоление сопротивления формы начинается в этом случае при бо-
лее высокой температуре. При заливке в металлические формы усадка ока-
зывается близкой по величине к теоретической, полностью свободной усад-
ке— поэтому она всегда больше, чем при заливке в песочные формы.
Как видно из табл. 8, температура заливки также оказы-
вает влияние на усадку чугуна: чем выше температура залив-
ки, тем меньше усадка, что связано с соответствующим умень-
шением скорости охлаждения.
Помимо температуры заливки, имеет значение и темпера-
тура перегрева, с повышением которой уменьшается
доперлитная усадка белого чугуна вследствие увеличения
газосодержания. Усадка же серого чугуна при этом увеличи-
вается, так как с увеличением температуры перегрева графи-
тизация тормозится.
е) Влияние термической обработки на линей-
Иые размеры отливок. При изготовлении моделей для
•отливок приходится учитывать не только усадку металла
в форме, но и изменение размеров при последующей терми-
ческой обработке. Выше указывалось, что закалка отливок
158
Свойства чугуна
Таблица 8
Влияние температур перегрева н заливки на усадку белого и серого
чугунок
Bl.; ЫН Ч/ГУМ , Г| чугун
температура перегрева °C 1 _1 температура Эб-ЛИНКН °C количество газа. cj^/IQO г расширение % долерлитная усадка, н температура перегрева °C температура заливши °C количество газа, | см‘/100 г расширение % доверлитнде усадка, %
литей- ная полная лЯтей* полная
1300 1450 1590 1590 1280 1439 15i0 1300 28,1 38,0 61,9 54,9 0,02 0,15 0,27 0,17 1,19 0,82 0,79 0,85 1,11 0,97 1,06 1,02 1300 1400 162о 1030 1280 1380 1600 1300 7,8 14,7 17,3 11,3 0,10 0,20 0,22 0,14 0,03 0,10 0,16 0,17 0,13 0,30 0,38 0,31
на мартенсит приводит к заметному увеличению размеров
(0,1—0,3%). Еще большее значение имеют процессы графити-
зации и обезуглероживания при термической обработке.
Е ыделение 1% Св виде графита имеет своим следствием
увеличение объема на 2% или на 0,67% по длине. Обезугле-
роживание же отливок приводит к уменьшению объема. Дей-
ствительно, при реакции:
1ч'8СН-СОа = ЗЕе + 2СО
уменьшение объема на 1 граммолекулу составляет;
V~V = 3 55,8 0,127— 179,4 • 0,1304= — 2,14 ли3.
или r,.ioo^ —---------------.. юо = 9,14%,
И 179,4-0,1304
т. е. на 1 % удаленного углерода;
( —Ю0)----------ЛИ 137%
И /10/оС 6:67
и
(4/-1оо) =—0,44%.
( I /154 С 3
Таким образом, если при термической обработке одновре-
менно имеют место и графитизация и обезуглероживание, то
изменение размеров отливки составляет:
л/ -= 0.67С, — 0,44 С„ (84)
где С,—количество выделенного свободного углерода;
С2 — количество углерода, удаленного во время термиче-
ской обработки.
Поэтому при производстве черносердечного ковкого чугуна
литейная усадка принимается в среднем около 1%, вследствие
расширения при графитизации чугуна во время термической
обработки, несмотря на то, что в форме отливки имеют усад-
ку около 1,8%. Наоборот, при процессе обезуглероживания
Литейные свойства чугуна
159
окончательная усадка отливок может быть даже больше, чем
у исходного белого чугуна. В том и другом случае усадка за-
висит от толщины отливок, определяющей соотношение между
процессами графитизации и обезуглероживания. Чем тоньше
отливка, тем больше обезуглероживание и тем дольше, следо-
вательно, ее усадка. Поэтому при тонкостенном белосердечном
ковком чугуне усадка может достигнуть 2,5—3%, а при тол-
стостенном черносердечном ковком чугуне может снизиться до
нуля и даже до отрицательной величины.
ж)Влияние торможения на литейную усадку
чугунных отливок. В реальных условиях изготовления
отливок только в редких случаях, при самой простой конфигу-
рации, возможна беспрепятственная свободная усадка. В боль-
шинстве случаев имеет место торможение усадки: термине-
. ское, механическое или совместное (рис. 90).
Схема конструкций о т л и S о к
Ряс. 90. Схема конструкций отливок, дающих свободную и затрудненную
усадку
Как известно из общего курса «Теоретические основы
литья металлов», термическое торможение усадки связано
с конструкцией отливки. Оно зависит от сочетания в отливке
связанных между собой частей, охлаждающихся с различной
скоростью, так что усадка одной части отливки не может
произойти без такой же по величине усадки другой части.
В итоге такого термического торможения более толстые пасти
получают несколько большую усадку, чем тонкие, в то время
как при свободной усадке имеет место обратное соотношение.
160
Свойства^чугуна ___________________________
Например, при свободной системе тонкая 25-жл плита в ре-
зультате одного опыта имела усадку ^=1,06% против 1,01 %
Для толстой 100-жм плиты. В связанной же системе (станина)
топкие части имели усадку ~ — 0,93% против 0,88% У тол-
стой параллели.
Большее значение имеет механическое торможение усадки,
которое является следствием препятствий, создаваемых стерж-
нями, формовочной смесью (например между фланцами), кар-
касом стержня, если он расположен близко к стенкам отливки,
траверсами опоки и т, д.
Величина торможения в этом случае будет тем больше, чем
больше сопротивление усадке, чем прочнее и менее податлива
формовочная смесь и чем длиннее и тоньше отливка. Это
в некоторой степени иллюстрируется следующими нормативны-
ми данными:
Длина отливки, мм.....................
До 500 500—1000 >10110
Усадка открытых конструкций, % . .
1,0 1,0—0,9 0,9-0,7
Усадка коробчатых конструкций, % . 1,0
0,9—0,8 0,7—0,5
Чем длиннее и тоньше отливки, тем относительно меньшее
значение имеет разрыхленный и податливый слой формовочной
смеси, прилегающий к отливке, и тем, следовательно, больше
торможение усадки. Естественно, что при этом значительно
затрудняется получение здоровых отливок.
3) Влияние технологии формовки и заливки
на литейную усадку чугунных отливок. В процес-
се формовки деталей приходится расколачивать модель, чтобы
облегчить ее вынимание из формы. Это производится либо
вручную ударами молотка, либо вибрацией модельной плиты
при формовке на станках. При расколачивании размеры
формы увеличиваются против размеров модели, и поэтому
уменьшается литейная усадка отливки. При станочной работе,
в особенности при пользовании вибраторами, разница в раз-
мерах модели и формы оказывается минимальной. При ручной
формовке и при отсутствии достаточного опыта и тщательности
в работе эта разница достигает максимальной величины и мо-
жет иногда иметь следствием не только полное уничтожение
литейной усадки, но даже получение отливок, больших по
размерам, чем модель (отрицательная усадка).
По этой причине получение в массовом производстве изделий с точными
размерами немыслимо при работе вручную и тем более по деревянным моде-
лям. которые при поглощении влаги могут значительно изменять свои разме-
ры. Аналогичное влияние оказывают равномерность и плотность набивки фор-
мы. При слабой набивке и большом напоре жидкого металла п процессе за-
полнении формы может произойти значительное увеличение размеров отлив-
ки (распор). ................................................
Литейные свойства чугуна
161
Влияние этих факторов, имеющих индивидуальный характер, не поддает-
ся теоретическому расчету. В каждом отдельном случае, в зависимости от
конфигурации отливок, способа формовки, квалификация литейщиков и фор-
иовшикои и культуры производства, эти факторы следует определять экспе-
риментально и учитывай, при изготовлении моделей.
Литейная усадка, как результирующая многочисленных
факторов, влияющих на усадку в твердом состоянии, колеб-
лется практически в значительных пределах:
_ . Черное®рдеч- Белоеепленный
Тип чугун! Серии Белый aeIafoeat;HUH ный ниький коьккй
Литейная усад-
ка, «о ... 0,5—1.2 1.5—2,0 1,2—2,0 0,0—1,2 0,8-2,5
Нижние пределы относятся к более крупным отливкам,
медленному охлаждению, большому механическому торможе-
нию усадки, большому насыщению газами, высокой степени
Графитизации, малому обезуглероживанию. Верхние пределы
относятся к противоположным условиям. При этом, в зависи-
мости от конфигурации отливки и направления торможения
усадки, возможна разная по величине усадка по разным на-
правлениям. Например, цилиндры испытывают торможение усад-
ки главным образом по диаметру. Поэтому усадка по длине
(J.0—0,8%) у этих отливок превосходит усадку по диаметру
(0,5—0,7%).
3. ОБРАЗОВАНИЕ УСАДОЧНЫХ РАКОВИН
Образование усадочных раковин и усадочной
пористости является результатом естественного процесса
уменьшения объема металла при охлаждении в жидком со-
стоянии и во время затвердевания. Чугун (не только белый, но
и серый) не представляет, исключения из этого правила. Поэто-
му при производстве ответственного литья из высококачествен-
ного чугуна вопросам борьбы с усадочными раковинами и по-
ристостью необходимо уделять такое же внимание, как и при
стальном литье.
Образование усадочных раковин и пор в отливках происхо-
дит в процессе их затвердевания и по той причине, что сум-
марная усадка металла в ?кидком состоянии ( %. ) и во время
затвердевания (s ) оказывается обычно больше, чем усадка
наружных размеров отливки за тот же период времени. Поэто-
му общий относительный объем усадочных раковин и пор
(*ри<) в отливках может быть определен по следующей фор-
муле Ю. А. Нехендзи и Н. Г. Гиршовпча:
= Ia,« - tn} + еа - 1,5 а (Z, - Q] (I - > (85)
и 3tr, 805
162
Свойства чугуна
где а*~— коэфициент усадки металла в жидком состоянии;
f сж — средняя температура жидкого
начала затвердевания отливки;
Рнс. 91. Пробы для определения величины и рас-
положения усадочной раковины
металла в момент
температура
ликвидуса;
s.t— усадка ме-
талла в про-
цессе затвер-
девания;
я — коэфициент
линейной уса-
дки в допер-
литном пери-
оде;
t3 — температура
солидуса;
t средняя тем-
пература
твердой от-
ливки в мо-
мент конца
затвердева-
ния;
q— константа за-
твердевания;
т— время залив-
ки;
R — приведенная
толщина от-
ЛИВИИ.
Анализ этой фор-
мулы показывает,
что объем усадочных раковин и пор в отливках тем больше, чем
больше усадка жидкого металла в периоде затвердевания
Q +s], чем меньше усадка твердого металлаза тот же
период времени [1,5х(1з— ^„))ичем меньше количество затвер-
девшего металла в процессе заполнения формы Из это-
го следует, что усадка в твердом состоянии не увеличивает,
а уменьшает объем усадочных раковшг, хотя абсолютное зна-
чение этого фактора обычно невелико.
Экспериментальное определение объема усадочных раковин
в отливках производится на специальных пробах (рис. 91).
Литейные свойства чугуна
163
по наиболее плотной части
После разрезки образцов по утолщенным частям объем концентрирован-
ных усадочных раковин определяется соответствующим обмером (заполне-
нием воском, керосином). Общий объем усадочных раковип и лор может
быть определен путем сравнения удельного веса всей отливки н абсолютно
плотного металла;
^=1-“.
где Урак-относительный объем усадочной раковины;
1'~ объем отливки;
G — вес отливки;
d—уд. Rgc металла, определяемый
отливки.
Кроме объема усадочных рако-
вин, весьма важны форма и распо-
ложение их, которые можно зафи-
ксировать после разрезки отливки.
Хорошее представление об этом да-
ют современные методы просвечи-
вания отливок рентгеновскими или
радиевыми лучами (рис. 92).
Теоретически же расположение ц
форму усадочных раковин можно
определять путем проведения в се-
чении изотерм или, в данном слу-
чае, линий одновременного затвер-
девания. Пользуясь этим способом,
следует, однако, учитывать все фак-
торы, влияющие на скорость охлаж-
дения, в том числе замедленное
охлаждение у места подвода метал-
ла, у стержней, окруженных со всех
сторон металлом, а также быстрое
охлаждение у холодильников и г. п.
(рис. 93).
. Во всех случаях усадочные ра-
ковины как первичные, так и вто-
ричные (рис. 93) располагаются там,
(S6)
Рис.
мок
щлй
ной
пористости
сплошным белым спектром
с ^рльфрамовым антикато-
’ у Civil ДОМ)
тде затвердевание протекает в последнюю очередь, Это проис-
ходит в уздах с наибольшей концентрацией металла (например
углах или вообще в местах, где вписываются окружности мак-
тепля1*?^ диаметРов)> в места'х с наибольшей концентрацией
(вблизи питателей) или, наконец, в местах с наименее
.... наивным теплоотводом (у стержней или других частей фор-
мы с Малой теплопроводностью).
макоосглп10111^еся в отливках усадочные раковины могут быть
” ическими и микроскопическими, концентрированными
*раз росанными, открытыми и закрытыми, внешними и внут-
92. Рентгеновский сни-
образца, он редел не-
расположение усадоч-
раковины и усадочной
(просвечивание
!64
Свойства чугуна
ренними. Форма и объем усадочных раковин зависят от многих
факторов: конструкции отливок, технологии формы, состава
металла, его жидкотекучести и т. д. Изменяя эти факторы и
Рис. 93. Определение расположения уса-
дочных раковин в тавровом бруске при
разных способах формовки методом изо-
терм:
I —' аервдчн&л усадочная оаковння; П — вторич-
ш усадочмая раковина
применяя прибыли и хо-
лодильники, можно полу-
чать плотные здоровые
Отливки без усадочных
раковин и рыхлостей. Од-
нако во всех случаях не-
обходимо учитывать при
этом условия работы от-
ливок и экономику про-
водимых мероприятий.
Концентрированные уса-
дочные раковины тре-
буют применения боль-
ших прибылей и, следовательно, большого расхода металла.
При микроскопической же усадочной пористости можно обой-
тись с минимальными прибылями или даже вовсе без прибылей,
но отливки получаются с пониженными механическими свойст-
вами и с низкой плотностью (герметичностью). Это недопустимо
для ответственных отливок, работающих под большой нагруз-
кой или давлением, но вполне приемлемо или даже целесооб-
разно для неответственных отливок или отливок, работающих
на износ.
а) Нлияние состава чугуна. Состав чугуна оказы-
вает большое влияние на объем, форму и распределение уса-
дочных раковин в отливках.
А. А. Бочвар показал, что объем, а главное—форма уса-
дочных раковин зависят от интервала кристаллизации спла-
ва (рис. 94 ). Эвтектические сплавы, характеризующиеся ма-
лым интервалом затвердевания и высокой жидкотекучестью,
образуют концентрированные раковины, а сплавы с большим
интервалом затвердевания и низкой жидкотекучестью образу-
ют преимущественно’рассеянные поры. Поэтому, чем боль-
ше степень эвтектичности чугуна, тем более
сконцентрированной оказывается усадочная
раковина.
Слияние элементов на объем усадочных раковин в чугунных
отливках определяется, главным образом, соответствующим из-
менением графитизации чугуна, Как указывалось выше, выде-
ление графита в процессе первичной кристаллизации 1 умеиь-
i Графитизация чугуна после затвердевания не может оказать влияния
на процесс образования усадочных раковин. Поэтому при отжиге ковкого
чугуна, несмотря па полную графитизацию, объем усадочных раковин
не изменяется.
Литейные свойства чугуна
165
шает усадку во время затвердевания и, согласно формуле (85),
уменьшает, следовательно, размеры усадочных раковин. Вместе
с тем некоторое значение имеет также влияние элементов на
температуропроводность чугуна. С увеличением температуро-
проводности понижаются
температурный перепад и
средняя температура жид-
кого чугуна в момент обра-
зования Наружной корки,
вследствие чего объем уса-
дочных раковин уменьшает-
ся. Однако следует отме-
тить, что температуропро-
водность жидкого чугуна
сравнительно мало меняется
с изменением его состава.
Опубликованные в лите-
ратуре исследования (рис.
95) показывают, что крем-
ний уменьшает объем уса-
дочных раковин веером чу-
гуне, в особенности при низ-
кой температуре заливки.
Это объясняется повыше-
нием степени графитизации,
вследствие чего значение
уменьшается. Однако при
более высоких температурах
заливки, когда значение t„.K
сравнительно велико, умень-
шение ?3 обусловленное
графитизацией, не играет
Рис. 94. Влияние интервала кристалли-
зации на образование усадочных рако-
вин и пористости в отливках
столь большой роли, и влияние кремния в этих условиях уже
мало сказывается. Таково же действие углерода, который умень-
шает общую объемную усадку в сером чугуне как при
постоянной температуре заливки, так и в особенности при постоян-
ном перегреве над ликвидусом. Однако при экспериментальных
исследованиях можно наблюдать иногда увеличение объема
концентрированных усадочных раковин при повышении содер-
жания углерода и кремния, так как с увеличением степени эв-
тектнчности чугуна усадочная пористость в отливках умень-
шается и концентрированные усадочные раковины соответствен-
но увеличиваются в объеме:
£ > • . . . 3,2 3,1 3,3 3,5
' 1,6 1,9 2,3 2.1
Ирак, «-«* .... о.5 2,0 4,0 8,0
166
Свойства чугуна
Вместе с тем следует отметить^ что плотность и герметич-
ность чугунных отливок повышаются с уменьшением содержа-
ния углерода и кремния вследствие благоприятной (мелкой)
формы выделений графита- Наоборот, в эвтектическом чугуне,
где можно обеспечить от-
, " — ° йалиЙка при Нысррой nieunepw>yju:
л—------о „ п ииЗЮШ ’>
сутствие рассеянных уса-
дочных пор, крупные вы-
деления графита могут
стать причиной низкой
герметичности чугунных
отливок. Еще в большей
степени это относится к
заэвтектическому чугуну,
где вследствие образова-
ния спели не только
укрупняются выделения
графита, но понижается
жидкотекучесть чугуна.
В противоположность
углероду и кремнию, мар-
ганец и сера, понижая
степень графитизации,
увеличивают общий объ-
ем усадочных раковин
отношении оказывает
Рис, 95. Влияние состава чугуна на объем
усадочных раковин в чугунных отливках
(рис. 95). Наибольшее влияние в
сера, в особенности при низкой температуре заливки. Отрица-
тельное же влияние марганца проявляется только до 1,2%, ве-
роятно, за счет образования сульфидов марганца, понижающих
жидкотекучесть чугуна. При дальнейшем повышении содержа-
ния марганца объем усадочных раковин даже понижается,
однако только до тех концентраций марганца, когда он уже за-
метно тормозит графитизацию.
Как видно из рис. 95, фосфор действует, как кремний,
уменьшая объем концентрированных раковин при низкой темпе-
ратуре заливки. Это объясняется графитизацией, но главным
образом — повышением жидкотекучести чугуна. При высоких
температурах заливки благоприятная роль 'фосфора не про-
является, потому что разница в жидкотекучести и усадке чугу-
нов с разным содержанием фосфора уменьшается с повыше-
нием температуры. Следует подчеркнуть, что фосфор является
часто причиной усадочной пористости » низкой герметичности
чугунных отливок, вследствие образования озерков фосфидпой
эвтектики, затвердевающих последними при низких температу-
рах, когда питание из прибыли уже практически не осуществимо
при обычных давлениях. Это подтверждено автором совместно
Литейные свойства чугуна
167
с А. Я. Иоффе (рис. 96). Опасность образования подобной
пористости заставляет рекомендовать для отливок, работающих
под давлением, чугун с возможно низким содержанием фосфора,
в особенности при высоком содержании углерода.
Что касается легирующих элементов, то их влияние также
связано с соответствующим изменением степени графитизации.
Особенно большое
развитие получают
усадочные раковины
При полном тормо-
жении графитиза-
ции, когда чугун за-
твердевает белым.
Наоборот, некото-
рые легирующие
элементы (медь, ни-
кель, титан, цирко-
ний и др.), способ
етвующис графити-
зации, могут даже
уменьшить объем
усадочных раковин.
При изготовле-
ние. 96. Влияние фосфора па усадочные ракови-
ны и пористость в чугунных отливках:
1 общап площадь; 2 — пористая эона: 3 — концентри-
рованная рвкопяна
ним отливок из белого чугуна, в частности при производстве
ковкого чугуна, усадочные раковины развиваются в такой же
степени, как в фасонных стальных отливках. При этом склон-
ность к образованию усадочных раковин тем больше, чем ниже
содержание углерода в чугуне.
б) Влияние температуры заливки и жидкого
состояния чугуна. Влияние температуры заливки на
образование усадочных раковин и пор проявляется в двух на-
правлениях. С одной стороны, с повышением температуры за-
ливки (^) увеличивается усадка в жидком состоянии, опреде-
ляемая величиной £сж (85), с другой стороны, — повышается
жидкотекучесть металла и улучшается питание отливок. По-
этому влияние температуры заливки может быть различным,
однако в большинстве случаев наблюдается увеличение объе-
ма усадочных раковин с повышением температуры заливки:
Темпсрату ра залив-
К'. °C ................... 1270 1320 1370
уран> еж».................. 0,0 3,3 4,9
Температура заливки оказывает также влияние на положе-
ние и форму усадочных раковин. При высокой температуре залив-
ки образуются преимущественно наружные и концентрированные
усадочные раковины. При низкой же температуре заливки обра-
168
Свойства чугуна
зуются внутренние и рассеянные раковины, особенно в условиях
пониженной жидкотекучести металла (например, при высоком
содержании серы). Поэтому высокая температура заливки спо-
собствует получению здоровых и плотных отливок, если питание
их обеспечено надлежащими прибылями.
В значительно меньшей степени сказывается температура
перегрева чугуна, ио и она не остается без влияния. Теорети-
чески можно ожидать некоторого увеличения объема уса-
дочных раковин в сером чугуне вследствие увеличения пере-
охлаждения, а значит и усадки при затвердевании. Подтвер-
ждением этому может служить то, что чугун из вагранки дает
обычно меньшие усадочные раковины, чем после перегрева его
в электропечи. Модифицирование же, способствуя затвердева-
нию по стабильной системе, уменьшает объем усадочных рако-
вин и повышает плотность и герметичность отливок:
Чугун...Исходный + (Fell-f-FeSi) -pSiCa
l'' рак1 аз 6э 50
Несколько противоречиво влияние газов на образование уса-
дочных раковин. С одной стороны, наличие большого количества
газов в чугуне увеличивает объем усадочных раковин. Объяс-
няется это тем, что газы, заполняя образуемые пустоты, препят-
ствуют питанию их из прибылей или литниковой системы. С дру-
гой стороны, выделяясь в затвердевающем металле, газы увели-
чивают его удельный объем и уменьшают размеры усадочных
раковйн. Тому же способствуют механическое перемешивание
чугуна газами и выравнивание его температуры. Таким обра-
зом, влияние газов может оказаться различным.
Следует отметить, что склонность к образованию усадочных
раковин и пористости в чугунных отливках в значительной сте-
пени завис!,т также от структуры и состава исходных шихтовых
материалов. Неоднократно приходилось отмечать на практике,
что при переходе от чугуна одного происхождения к чугуну дру-
гого происхождения- количество брака по причине усадочных
раковин или течи при гидравлических испытаниях резко изме-
нялось. Во многих случаях это может быть объяснено различ-
ным содержанием газов в чушковых чугунах. Влияние оказыва-
ет также форма графита в исходных материалах. Наличие круп-
ного графита и спели в высококремнистом чугуне понижает жид-
котекучесть металла после переплава и увеличивает усадочные
раковины в отливках.
Таким образом, содержание газов и неметаллических включе-
ний, а также форма графита в исходных материалах оказыва-
ют значительное влияние на получение плотных отливок. Как вид-
но из рис. 96, склонность к образованию усадочных раковин
в отливках при плавке на новотульском чугуне оказывается за-
Литейные свойства чугуна
1Й>
метно большей, чем при плавке на уральском чугуне, хотя со-
держание фосфора в обоих случаях одинаково. Однако следует
иметь в виду, что, изменяя методы плавки, раскисления, дегаза-
ции и перегрева, можно влиять на эти «наследственные» свойст-
ва в желательном направлении.
в) Влияние конструкции отливок. Конструкция
отливки, при прочих равных условиях, определяет условия за-
твердевания металла и распределение температур по ее сечению
и высоте. Поэтому конструкция отливки в значительной мере
определяет форму и распределение усадочных раковин. Пра-
вильное конструирование отливок возможно на основе одно-
го из следующих двух принципов: 1) обеспечения равномер-
ного (одновременного) затвердевания, 2) обеспечения на-
правленного затвердевания.
По первому, наиболее старому, принципу требуется констру-
ирование отливок с равномерными толщинами стенок, без рез-
ких переходов и местных скоплений материала. Идеей борьбы
с усадочными раковинами является в данном случае создание
условий равномерного затвердевания металла во всех частях
отливки, Этот принцип оказывается весьма полезным при конст-
руировании тонкостенных отливок из серого чугуна, когда при-
были, вследствие малой склонности к образованию усадочных
раковин, не применяются. Однако следует иметь в виду, что
одновременное затвердевание металла по сечению отливки при
этом не может быть достигнуто, так как кристаллизация’ всегда
идет последовательно от периферии к центру. Поэтому констру-
ирование по этому принципу отливок из белого чугуна не может
Обеспечить в них отсутствие пористости даже при малых толщи-
нах стенок. В этих случаях, а также при конструировании более
толстостенных отливок из серого чугуна, в особенности при ра-
боте их под давлением (арматура, цилиндры и т- ДЙ, становится
необходимым применение принципа направленного, управляе-
мого затвердевания. Последний заключается в том, что в каж-
дом питаемом узле отливки создается все уменьшающаяся ско-
рость охлаждения по направлению к прибыли, в которой кон-
центрируется усадочная раковина. Такое постепенное и после-
довательное питание тонких частей отливки за счет толстых.
а наиболее толстой части — за счет прибыли обеспечивает от-
сутствие пористости и получение плотных отливок. Этот прин-
цип должен быть особенно строго выдержан в случае изготов-
ления отливок из высококачественного (малоуглеродистого,
легированного) или белого чугуна, характеризующегося повы-
шенной склонностью к образованию усадочных раковин.
г) Влияние технологии формовки н заливки.
Выбор формовочных материалов, места подвода металла, време-
ни и способа заливки, а также применение прибылей и холю-
170
Свойства чцгцна
дильников'в значительной степени определяют скорость охлаж-
дения разных частей отливки и имеют большое влияние на ве-
личину и расположение усадочных раковин.
Из формулы (85) видно, что ускорение охлаждения чугуна,
с одной стороны, увеличивает объем усадочной раковины, вслед-
ствие повышения значения Кж
Рис. 97. Выдавливание жидкого чугу-
на нз выпоров при залипке в метал,
лические формы
тнзации. В других же случаях,
и торможения графитиза-
ции, а с другой стороны,
уменьшает ее вследствие
увеличения константы за-
твердевания (д) и усадки
в твердом состоянии. Общая
результирующая этих про-
тивоположных влияний мо-
жет быть направлена в ту
или другую сторону. Так,
например, при заливке чу-
гуна в металлические фор-
мы можно часто наблюдать
не только полное отсутствие
усадочных раковин, но да-
же выдавливание жидкого
металла в выпоры (рис. 97).
Это происходит вследствие
большой усадки наружной
корки и увеличения объема
чугуна в результате графи-
например, при сильном тормо-
жении графитизации, объем усадочных раковин увеличивается.
Точно тан же и состав формовочных смесей, определяя рас-
ширение или сжатие песочной формы, а вместе с ней и наруж-
ной корки отливки, оказывает влияние на объем усадочных
раковин. При этом сжатие смесей и затвердевшей корки уменьша-
ет величину усадочной раковины. Некоторыми исследователями
установлено, что высокая влажность и прочность сырой формы
увеличивают усадочные раковины в чугунных отливках. Нали-
чие же угля в формовочной смеси, а в особенности заливка
в песочно-масляные стержни, действуют в обратном направлении
(рис. 98). И. Б. Куманин объясняет это давлением газов, пре-
пятствующих расширению чугуна после начала затвердевания.
Еще большее значение имеет подвод металла, играющий роль
мощного фактора в создании равномерного пли направленного
затвердевания, Как общее правило, можно указать, что в отлив-
ках, сконструированных по принципу равномерного затвердева-
ния, усадочные раковины располагаются преимущественно у пи-
Литейные свойства, чугуна
171
тателей. Подвод металла нарушает принцип равномерного
затвердевания. Это происходит не только потому, что форма разо-
гревается у питателя проходящим жидким металлом, но и пото-
му, что в отдаленные концы отливки чугун приходит сильно
охлажденным после длинного пути по форме. Поэтому подвод
металла а тонкую часть отливки способствует равномерному
С«крл.невал Смесс, г СмсСа еегэпргрица- Смеы di Юив- Сыраи енегв Синев
илёа 77» ЖЯ9 емастьм -Я? f№C*a wjhwMM
Рис. 98. Влияние формозочных смесей на образование усадочных раковни
в чугунных отливках
затвердеванию. Подвод металла в толстую часть, наоборот, уси-
ливает направленность затвердевания.
Как показали опыты автора, способ заливки также оказывает
влияние на объем и форму усадочных раковин в чугуне
(рис. 99). При вертикальной верхней заливке получается более
Рис. 99, Влия-
ние технологии
формы на об-
разование уса-
дочных рако-
вин
Fjrum= 15*15мм
Fрак.« 335см3
F_num. = !5*!5мм
% Vpak cм:
%.
концентрированная и большая' по величине усадочная раковина,
чем при горизонтальном и сифонном способах заливки. Способ
заливки определяет в некоторой мере равномерность пли на-
правленность затвердевания. Первый принцип осуществляется
лучше всего горизонтальной заливкой, рассредоточенными пита-
телями или сифонным подводом металла, а второй принцип —
концентрированным подводом металла и заливкой сверху.
172
Свойства чцгцна
Следует иметь в виду, что в чугунных отливках вследствие
меньшего значения константы затвердевания, чем в стальных,
всегда интенсивно проявляются конвекционные потоки, стремя-
щиеся передвинуть более горячие массы металла вверх, Поэто-
му направление затвердевания идет снизу вверх даже при си-
фонной заливке. Современные исследования показали, что
в достаточно толстых отливках верхние части, при прочих равных
условиях, затвердевают медленнее, чем нижние, даже при си-
^0501--1—।—।—।—।—,........... । ,
О 1 3 3 U 5 6 7 8 9 1D 11 92 X? '4
воемя пин
Рис. 100- Влияние кпнсекционных пптокоп па скорость
затвердевания и охлаждении чугунных образцов разно-
го диаметра:
1 — 25 2 —< 37,5 мм, 3 — 50 мм, 4 —* 62.5 мм; В — верх
формы; Н — низ форму
фонном подводе металла (рис. 100). Это происходит в тем боль-
шей степени, чем толще отливка и выше температура заливки.
Например, при диаметре образца 37,5 мм и высоте 250 мм это
наблюдается при перегреве чугуна на 200° над ликвидусом,
а при диаметре 75 мм — при перегреве только на 140°.
Немалое значение имеет и время заливки. С уменьшением
сечения питателей и с увеличением времени заполнения формы
затвердевание при вертикальной заливке приобретает более
направленный характер, усадочная раковина становится более
концентрированной и меныиев по размерам. Точно так же
уменьшается при этом объем усадочных пор, а следовательно,
и полный объем всех усадочных раковин, как это следует из фор-
мулы (85), Поэтому при очень медленной заливке сверху объем
усадочных раковин в чугунных отливках может быть доведен
лаже до нуля вследствие того, что нижние слои металла посте-
пенно охлаждаются и затвердевают, питаясь за счет медленно
поступающего сверху жидкого металла. При заливке же сифо-
Литей-Hbie свойства чугуна
173
ном увеличение времени заливки приводит обычно к увеличе-
нию пористости в отливках и к уменьшению объема концент-
рированных раковин.
Следует отметить. что установка прибылей и холодильников
и применение формовочных материалов с разной температуро-
проводностью также являются эффективными способами ре-
гулирования процесса затвердевания и борьбы с усадочными
раковинами в отливках.
Таким образом, технологический процесс формовки и залив-
ки должен устанавливаться так, чтобы действие всех факторов
по совокупности обеспе-
чивало равномерное или
направленное затвердева-
ние, в зависимости от со-
става металла, конструк-
ции отливки и предъяв-
ляемых к ней требований.
Пример осуществле-
ния этой задачи двумя
разными путями пред-
ставлен на рис. 101. Для
обеспечения равномерно-
го затвердевания на утол-
щенных частях отливки
Рис. 101. Получение здоровой отлив-
ки цилиндра водяного насоса:
ft —> по принципу pan номерного затее омрр-
кия; б — со принципу непреолеииого
таердепаиня
затвердевания (рис. 101,6} внизу
устаповлеки холодильни-
ки для выравнивания ско-
ростей охлаждения (рис.
101, а). В случае же про-
ведения идеи направленного
на утолщенной части отливки устанавливается более мощный
холодильник, чтобы скорость охлаждения нижней части
отливки оказалась больше, чем вышележащей части. На
верхней же утолщенной части устанавливается прибыль,
по отношению к которой осуществляется направленное
затвердевание в отливке. Из этих двух способов предпочтение
для ответственных и толстостенных отливок должно быть отдано
второму, как обеспечивающему отсутствие пористости. Если же
отливки не столь ответственны и не работают под давлением, то
можно пользоваться первым способом, так как при этом умень-
шаются расход металла на прибыли и затраты на их отделение.
Давление, под которым происходит кристаллизация, также
оказывает большое влияние на объем, форму и расположение
усадочных раковин в отливках. С увеличением давления общий
объем усадочных раковин и пор уменьшается за счет образова-
ния наружной усадочной раковины (рис. 94). При этом
уменьшается, главным образом, объем рассеянных пор
174
Свойства чугуна
вследствие повышения жидкотекучести н улучшения усло-
вий питания межкристаллитных пустот. При кристаллиза-
ции под большим давлением микроскопические поры вовсе ис-
чезают, а концентрированные раковины значительно уменьша-
ются в объеме. Такое давление может быть практически осу-
ществлено для чугуна, как и для других сплавов, по методу
А. А. Бочвира н Л. Г. Спасского (кристаллизация в автоклавах),
методу В. М. Пляцкого (кристаллизация под поршневым
давлением), методу литья под давлением в специальных ма-
шинах, а также путем применения современных методов пи-
тания отливок из прибылей под газовым давлением. Хотя все
Эти способы получили пока применение, главным образом, для
цветных сплавов и стали, однако, принципиально и практи-
чески они могут быть с успехом применены и для чугуна.
4. ОБРАЗОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ, ИСКРИВЛЕНИЙ
И ТРЕЩИН
Литейные напряжения образуются вследствие торможения
усадки и могут достигнуть большой величины. В зависимости от
причин, вызывающих это торможение, напряжения могут быть:
термические, фазовые и. усадочные. В зависимости от объема,
в котором напряжения уравновешиваются, они бывают I, И и Ш
родов (напряжения I рода — макроскопические — уравновеши-
ваются в пределах всей отливки, II рода — микроскопические —
Рис. 102. Образцы
для определения
напряжений:
в — усадочная решеткаI
б — усадочное кольцо
в пределах отдельных кристаллов, Ш рода — ультрамикроско-
пические — в пределах отдельных кристаллических решеток).
Наибольший интерес представляют напряжения 1 рода. В настоящее время
существует около 40 разных способов измерения напряжений. В практике
литейных для этой цели чаще всего пользуются усадочными решетками,
разностенпыми кольцами или другими связанными системами (рис 1021 в
которых замеряется расстояние между какими-либо точками или плоскости-
hih (еь После разоезки системы последняя становится свободной: поэтому
растянутые части сжимаются, а сжатые растягиваются, т. е, происходят
деформация под влиянием освобожденных внугренних упругих'сил. Замеряв
вновь расстояние между соответствующими точками или плоскостями (ej
Литейные свойства чугуна
175
можно по величине упругой деформации (ei —е) определить действовавшие
в отливке напряжения, В простейшем случае, например, если брусок растянут
или сжат, напряжение в нем определяется по формуле:
е, — е
с = —----А,
I
где е, — е —’бсолютпая величина деформации;
I — длина бруска;
Е — модуль упругости материала.
Однако практически расчеты оказываются значительно сложнее.
Во всех случаях литейные напряжения являются следствием
неодинакового или неравномерного изменения объема смежных
элементов конструкций, связанных друг с другом. При этом
элемент, который в большей степени сокращает свой объем или
длину, оказывается растянутым, так как связанный с ним Другой
элемент препятствует его сжатию. По этой же причине эле-
мент, который в большей степени расширяется или в меньшей
степени сокращается в объеме, оказывается сжатым. Это пра-
вило дает возможность безошибочно ориентироваться в знаках
напряжений образуемых в отливках.
Теория образования термических напряжений в отлив-
ках, впервые изложенная русским инженером Н. В. Калакуцким,
исходит из того, что всякий металл, а значит н чугун, находится
в пластическом состоянии до какой-то температуры ('- 620°) и в
упругом состоянии — при более низких температурах. После
перехода в упругое состояние в отливке начинают развиваться
напряжения. При этом толстая или центральная часть отливки,
имеющая более высокую температуру, должна в большей сте-
пени сократить свои размеры. Поэтому она оказывается
в конце охлаждения растянутой, в го время как тонкая часть
отливки или наружные слои сечения оказываются сжатыми.
Величины этих напряжений в случае связанной системы из
двух брусков (рис. 102) могут быть определены по следующим
упрощенным формулам автора, не учитывающим явления из-
гиба:
_ I
, 670 Г.
з» = Д-------1---1 — —
KS(Rt + йг) L X6.J
а Е-Рг . 620 Г, /620\
ох =------------- 1 —-------
KS(P; + А'е) \ 6к ,
(87)
(88)
где °, и а g.— напряжения в тонком и толстом брусках, причем
знак минус означает сжимающие, а плюс — рас-
тягивающие напряжения:
а козфициент линейного расширения металла
в упругом интервале (ниже 620°);
176
Свойства чугуна
Д’ _ коэфициент, учитывающий условия теплопередачи
между связанными брусками (значение его колеб-
лется ст 1,0 до 2,0)
S — коэфициент, учитывающий частичное образование
пластических деформаций в так называемом упру-
гом интервале (значение его колеблется от 1,0
до 2,5) а;
£ — модуль упругости материала отливки;
7?1 и — приведенные толщины тонкого и толстого брусков;
620° — температура перехода чугуна в область упругих
деформаций;
*ж—температура заливки.
Анализ этих формул показывает, что напряжения в системе
будут тем больше, чем выше модуль упругости материала (Е),
чем больше соотношение в сечениях ( ) ив приведенных
jf 1 2
толщинах — брусков, чем выше температура заливки
и чем меньше значение коэфнциентов К и S. учитывающих
условия теплопередачи и сосуществование пластических дефор-
маций в интервале температур ниже 620°,
В одном бруске, представляющем связанную систему из от;
дельных элементов, остывающих с разной скоростью, напряже-
ния могут быть определены по формуле:
где Ч) — осевые напряжения в бруске;
я. — коэфициент линейного расширения в послеперлитном
периоде;
Е — модуль упругости;
S — коэфициент, учитывающий наличие пластических дефор-
маций в области ниже 620°;
(к — коэфициент Пуассона;
t — температура в любом месте сечения бруска в момент
перехода центральной части в область упругих дефор-
маций;
Ге—средняя температура бруска в тот же момент.
Итак, напряжения в любом месте бруска пропорциональны
разности температур (t—t.) и достигают максимальных значе-
ний в центре (-)-з) и па поверхности (—с).
1 Чем больше теплопроводность металла и чем больше площадь соприкос
ионепня брусков, тем больше значение коэфициента К.
2 Значение коэфициента S тем больше, чем больше величина напряжений.
Для определения этого коэфициента, в качестве перэого приближения, можно
. Hi Кз
пользоваться эмпирической формулой: S = (l—!g .
«1 ' Ri
Литейные свойства чугуна
177
Фазовые напряжения в чугунных отливках обусловлива-
ются как превращениями 7 — и,так и процессами графитизации.
Знаки этих напряжений определяются по ранее изложенному
принципу. Так как графитизация протекает преимущественно в
толстых частях отливки, причем процесс этот сопровождается
увеличением в объеме, то образующиеся напряжения оказыва-
ются всегда сжимающими в толстых частях и растянутыми —
в тонких, т. е. обратными по знаку термическим. В общем ито-
ге напряжения уменьшаются и могут даже изменить свои знаки.
Особенно велико значение этого фактора в отлчвках из отбелен-
ного чугуна, например в валках, где графитизация происходит
только в центральных частях, Как показывают литературные
данные, суммирование напряжений противоположного знака
приводит в этом случае к тому, что в наружных и центральных
частях отливки напряжения оказываются минимальными, а в
промежуточных переходных зонах, в которых наблюдается рез-
кое изменение твердости, имеют место максимальные напря-
жения (рис, ЮЗ).
Напряжения, образующиеся в результате 7 х-превраще-
ний, могут быть временными или остаточными и имеют разные
знаки в зависимости от температуры и полноты этих превраще-
ний, Например, пои несквозной закалке тонкие или наружные
части получают большее рас-
ширение н поэтому оказывают-
ся сжатыми. В этом случае
фазовые напряжения имеют
такие же знаки, как и терми-
ческие. Если же превращение
4,9 тонких частях происходит до
. момента перехода толстых ча-
, стей в упругое состояние, по-
следующее расширение тол-
стых частей вследствие 7-» «-
' Превращения уже вызывает
растягивающие напряжения в
тонких частях, обратные по
знаку термическим.
Усадочные напряже-
ния, обусловленные, механиче-
ским торможением усадки, яв.
ляются обычно только времен-
ными, пока действуют силы торможения, причем во всех частях
отливки они имеют только растягивающий характер. После вы-
бивки, когда силы, вызывающие торможение, усадки, устраня-
ются, напряжения в отливке обычно снимаются; только в неко-
12 Зак. 805
0-220мм-
Рис. 103. Напряжении в отбеленном
чугунном валке
178
Свойства чугуна
торых случаях, как показал автор, могут остаться небольшие
напряжения, обратные по знаку термическим.
Следовательно, знаки образуемых напряжений бывают раз-
личны:
Фазовые н«пвяжеиь,п ц Усадочные •пряжа* нит
гермиче результате:
1.СЛИм-™' преярвц.,е- графитизации до зыбипки после вы-
пря.-сепия ния 6и[ж1[
В тонких частях и в на-
ружных зонах отливок . — о + я + о -|- я 4- я или О
В толстых частях и в цен- _
тральных зонах отливок -j-- 4-я —з я — о или О
Сумма всех этих напряжений определяет в общей сложности
литейные напряжения, которые могут иметь различные знаки
в толстых и тонких частях отливок. В результате этих напряже-
ний в отливках могут образоваться искривления и тре-
щины (горячие и холодные).
Так как искривления происходят, главным образом, под
влиянием термических напряжений, то толстые растянутые час-
ти стремятся сжаться при изгибе и поэтому становятся вогнуты-
ми (рис. 104).
Рис. 1Q4, Искривление станины под влиянием термических напряжений
В некоторых случаях искривление чугунных отливок может
произойти также под влиянием усадочных и фазовых напряже-
ний, в частности напряжений, образуемых при графитизации,
и тогда может получиться обратный нзгдб (рис. 105).
На рис. 105 представлен заимствованный из литературы случай, когда
чугунные тавровые балки дали обратный прогиб, величина которого оказа-
. { \
лась функцией соотношения приведенных толщин (———1 :
»т
-—- = 2,27, стрела прогиба ~ 2,5 ллм (случай J),
R,
—- = I S3, стрела прогиба = [Д.чи (случай II)
Я,
-й- - !, 55 , стрела прогиба “ I) (случай II!},
Я,
В первом случае усадочные или фазовые напряжения в резул!1Тате графи-
тизацип значительно превосходили термические, во втором случае разница
межту этц\’и напряжениями уменьшилась, в третьем случае они выравнялись
по абсолютной величине, и поэтому изгиба вовсе не произошло.
Литейные свойства чугуна
179
Такой изгиб наблюдается редко даже в отливках из серого чугуна,
8 большинстве случаев преобладают термические напряжения и изгиб проис-
ходит в соответствии с рис, 104, Величина изгиба (стрела прогиба) в крупных
отливках может быть весьма значительной — до 30 лл п больше. Это иногда
приводит к браку отливок, а в лучшем случае вызывает затруднения при ме-
ханической обработке. Величина этого прогиба, очевидно, тем больше, чем
больше напряжения и отливке и чем меньше ее момент сопротивления.
Что касается трещин, то они образуются в отливках, когда
литейные напряжения превосходят предел прочности чугуна.
При этом холодные трещи- ____
ны образуются под влия-
нием напряжений (главным
образом термических или
фазовых), развивающихся
в интервале упругих дсбюп-
мапий, т. е. ниже 620°,
В зависимости от темпера-
туры образования, эти TpeJ
щииы имеют либо совер-
шенно чистую, либо слегка
окисленную поверхность с
цветами побежалости. Есте-
ственно, что образование хо- рие обратное искривление чугун-
ЛОДНЫХ трещин происходит 11Ь!х под влиянием напряжений
тем легче, чем больше на-
пряжения н меньше прочность и пластичность материала. По-
этому в белом чугуне холодные трещины встречаются значитель-
но чаще, чем в сером.
Во всех случаях трещины образуются в местах слабины. Тан
у 90-тонной изложницы были найдены следующие механические
свойства-.
,, протироположноЗ
У трещины стотовы
Предел прочности при изгибе , кг/мм* . . 13 27
Стрела прогиба /, мм.......................... 3,0 6,5
Горячие трещины (рис. 106), как установил в противополож-
ность немецкой школе Озанна 10. А. Нехендзи, образуются
непосредственно после затвердевания (1150—1000°), когда ме-
ханические свойства металла, и в особенности его пластич-
ность (удлинение), очень низки (рис. 107). Возникновение этих
трещин возможно даже в самом процессе затвердевания, когда
благодаря образованию твердого скелета литейная усадка уже
жидкий1"’ Н° В пРомежУтках между кристаллитами еще имеется
Трещины могут быть наружными и внутренними. Во всех
Учнях они имеют черный излом вследствие сильного окисле-
180
Свойства чугуна
ния и носят характер межкристаллитного разрушения, свойст-
венного высоким температурам. Их возникновению способству-
ют как факторы, понижающие прочность металла в соответст-
вующем интервале высоких температур, так и факторы, повы-
шающие торможение усадки, Такими факторами являются,
крупная первичная кристаллизация и транскристаллизация;
образование на границе зерен включений, понижающих меж-
кристаллитную прочность; наличие раковин и пор, вызывающих
концентрацию напряжений: высокий козфициент и большая
скорость усадки металла в указанном интервале и большое
термическое и механическое торможение усадки, обусловленное
Рис, 106. Внешние горячие трещины
а — на ободе маховика нэ серого чугуна; б —
а чугунных отливках:
ял знларном Kaanaiie из ковкого
и техно-
этом, в
Гемперотура, ° Q
Рис. 107. Изменение механических
свойств чугуна при пожгженни темпе-
ратуры
первенствующая
данном случае принад-
механическому тормо-
усадки, которое сказы-
особенно интенсивно
конструкцией отливки
логией формы. При
противоположность холодным
трещина'м,
роль в
лежит
жен ию
вается
непосредственно после затвер-
девания, пока препятствующие
усадке формовочные смеси еще
не успевают достаточно про-
греться и потерять свою проч-
ность.
Образование этих трещин происходит, конечно, в наименее
прочных сечениях — обычно в наиболее горячих и толстых час-
тях отливки. Они являются часто продолжением усадочных
раковин вследствие концентрации напряжений в этих местах.
Иногда горячие трещины образуются также в тонких сечениях,
например в лопастях гребных винтов. Это получается, когда под
Литейные свойства чугцна
181
влиянием гидростатического напора или другой причины в на-
ружной корке металла образуется трещина, которая не успевает
заполниться жидким металлом из-более толстых частей отливки.
Причиной образования горячей трещины в этом случае является
недостаточное питание отливки, в частности малая величина
прибыли, неудовлетворительная жидкотекучесть чугуна, низкая
температура заливки и ?. д. Таким обоазом, причины образова-
ния трещин и меры борьбы с ними могут быть различны:
а) Влияние состава и структуры чугуна. Состав
чугуна, определяя степень эвтектичности, модуль упругости, теп-
лопроводность, усадку, жидкотекучесть и механические свойства,
оказывает большое влияние на величину напряжений и возмож-
ность образования искривлений и трещин в отливках. Как
видно из формул (87), (88) и (89), напряжения возрастают
с повышением модуля упругости (£) и коэфициепта линейного
расширения или усадки («), а также с понижением теплопро-
водности металла '.
Влияние элементов в этом отношении может быть непосредст--
венным, вследствие легирования, или косвенным из-за изменения
условий графитизации. При этом последний путь воздействия
элементов на развивающиеся в отливках напряжения особенно
эффективен, поскольку от количества и формы графита в силь-
ной степени зависят прочность, модуль упругости, тепропровод-
цость и усадка чугуна. Чем больше графита в чугуне и чем
Крупнее его выделения, .тем ниже прочность и модуль
упругости, больше теплопроводность и меньше усадка как в по-
ёдеперлитном периоде, так и в особенности в области высоких
Температур после затвердевания. Кроме того, развивающиеся
К процессе графитизации фазовые напряжения обратны по зна-
Кам термическим. Поэтому графитизация, в особенности образо-
вание крупного пластинчатого графита, способствует уменьше-
нцю напряжений и искривлений и препятствует образованию
Колодных и горячих трещин, несмотря на то, что прочность чу-
гуна при этом понижается.
Наоборот, в белом чугуне опасность образования перечче-
левдых пороков весьма велика как вследствие большой величи-
ны упругих деформаций, так и вследствие большого значения
модуля упругости (модуль упругости белого чугуна составляет
около 17 000 кг/мм2, а серого чугуна от 6000 до 17 000 кг/мм-).
Низкий модуль упругости серого чугуна является основной при-
чиной малых напряжений в нем по сравнению с белым чугуном
и сталью. Кроме того, в сером чугуне пластические деформации
легко образуются- также в так называемом упругом интервале!.
___1 Значение коэЬициента К повышается с увеличением теплопроводности
«галла и улучшением условий теплопередачи.
182
Свойства чугуна
_^лформс6оа.
:5 сырую форму
в особенности в интервале 400—620°, чему способствует наличие
графита, образующего пики напряжений. Вследствие этого^
значение коэфициента S (87), (88) увеличивается и величина
напряжений соответственно уменьшается. Низкая же доперлит-
идя' усадка серого чугуне резко умении нет его склонность к
образованию горячих трещин.
Характерной иллюстрацией указанных положений
служить влияние
dS
15 Z'p 'Sfi 3fi
кремний. %
Рис. 108. Влияние
кремния на вели-
чину упругих де-
формаций в уса-
дочной решетке
при сырой и сухой
формах
1 может
кремния. С повышением его содержания, как
показывают исследования, степень графитиза-
ции увеличивается, выделения графита укруп-
няются, а величина упругих деформаций и
термических напряжений в чугунных отливках
уменьшается (рис. 108), Поэтому опасность
образования холодных трещин и величина ис-
кривлений отливок понижаются с увеличени-
ем содержания кремния в чугуне. Уменьшает-
ся при этом также и доперлитпая усадка в
интервале после затвердевания. Поэтому об-
разование горячих трещин затрудняется, чему
способствует еще повышение жидкотекучести
чугуна. Однако благоприятное влияние крем-
ния сказывается только до известного крити-
ческого предела (около 3%). При дальнейшем
увеличении содержания кремния количество
графита и теплопроводность чугуна понижа-
ются, а его усадка увеличивается, в связи с
чем образование напряжений, искривлений и
трещин облегчается. Также благоприятно в
этом отношении действует углерод по крайней
мере до известного предела. Как показали А. А, Бочвар и 3. И.
Свидерская, склонность к образованию горячих трещин (горя-
челом кость) уменьшается с увеличением содержания эвтек-
/ СутуЮ форму.
тики в структуре, и в цветных сплавах достигает минимума уже
при 15—25% эвтектики. Поэтому углерод, увеличивая степень
эвтектичности чугуна, уменьшает его горяч ел ом кость. Однако
еще большее значение в этом отношении имеет графитизация, и
поэтому эвтектический белый чугун в большей степени склонен
к образованию горячих трещин, чем доэвтектический серый.
В противоположность кремнию и углероду, марганец и сера
препятствуют графитизации и увеличивают доперлитную усадку,
что повышает напряжения н опасность образования холодных
и горячих трещин, в особенности при отбеливании чугуна.
Особо следует подчеркнуть возрастающую склонность к об-
разованию горячих трешин при повышенном содержании серы и
низком содержании марганца, что объясняется расположением
Литейные свойства чугуна
183
эвтектических выделении сульфидов по границам зерен и пони-
жением межкристаллитной прочности чугуна. Наличие же пои
этом д&статочного'содержаиия марганца, как показали наблю-
дения Н, И. Фейгина и Н. С. Массовера, почти полностью уни-
чтожает вредное влияние серы, уменьшая опасность образова-
ния горячих трещин в отливках (рис. 109).
Влияние фосфора на образование напряжений в. чугунных
отливках выражается менее интенсивно. Воздействие фосфора.
с одной стороны, опреде-
ляется понижением тепло-
проводности, вследствие че-
го напряжения в отливках
повышаются. С другой сто-
роны, включения фоефидной
эвтектики, имея отличный от
основной массы чугуна коэ-
фициент линейного расши-
рения, являются причиной
образования напряжений
II рода. Это увеличение на-
пряжений, вместе с умень-
шением пластичности чугуна
повышает опасность образо-
Рпс. 109, Влияние отношения Мп : S
и содержания фосфора на образование
горячих трещин в вагонных колесах
из отбеленного чугуна
вяния холодных трещин в
отливках с высоким содержанием фосфора. В отношении же го-
рячих трещин, в особенности в тонких частях отливки, фосфор,
понижая доперлитнуго усадку и повышая жидкотекучесть чугу-
на, может оказаться даже полезным (рис. 109).
Что касается легирующих элементов, то в большинстве слу-
чаев они повышают напряжения в отливках вследствие умень-
шения теплопроводности, повышения модуля упругости и уве-
личения усадки в соответствующих интервалах температур
(в особенности в интервале 900—1150°). При этом в низколеги-
рованном сером чугуне указанное влияние элементов невелико,
чему способствует иногда уменьшение некоторыми элементами
коэфициента расширения' (Mo, Ni) или повышение теплопровод-
ности (Сг, Mo, W) чугуна.
Поэтому молибден и никель в обычно применяемых пределах
даже несколько уменьшают напряжения, чему в значительной
благоприятствует соответствующее повышение однородно-
Значение последнего фактора весьма велико, и именно этим
следует объяснить сравнительно низкие напряжения, которые
Наблюдаются также в отливках из модифицированного чугуна,
несмотря на его высокий модуль упругости.
184
Свойства чугуна
Следует, кроме того, отметить, что даже в случае уве-
личения напряжений образование холодных трещин в легиро-
ванном чугуне часто затрудняется вследствие благоприятного
влияния элементов на его прочность и вязкость. При более вы-
соком содержании легирующих элементов (в особенности при
отбеливании чугуна) напряжения и склонность к трещинообра-
зеванию увеличиваются. При этом следует особо учитывать
добавочные фазовые напряжения, возникающие в легированном
чугуне вследствие понижения критических точек или скорости
превращения-.
Опасность образования горячих трещин особенно возрастает
в высоколегированных иди отбеленных отливках вследствие
резкого повышения доперлитной усадки, В обычных условиях и
при правильной технологии формы легирующие элементы не
представляют опасности в этом отношении. Молибден же, повы-
шая механические свойства при высоких температурах, дейст-
вует даже в благоприятную сторону, уменьшая склонность чу-
гуна к образованию горячих трещин.
б) Влияние скорости охлаждения. Все факторы,
определяющие скорость охлаждения отливки, в значительной
мере влияют на величину возникающих в ней напряжений
и возможность образования трещин. Как общее правило можно
отметить, что ускорение охлаждения увеличивает разность тем-
ператур между частями отливки и поэтому повышает величину
напряжений. Особенно велико влияние этого фактора в области
высоких температур,, когда образуются горячие трещины в от-
ливках. Поэтому применение форм с меньшей температу-
ропроводностью (песочных вместо металлических, сухих вместо
сырых, подогретых в-место холодных и т. д.) приводит к умень-
шению термических напряжений. При этом уменьшается также
опасность образования трещин, в особенности горячих, -если
только не увеличивается сопротивление формы усадке.
Влияние скорости охлаждения усиливается тем обстоятель-
ством, что при медленном охлаждении повышается степень гра-
фитизации и укрупняются выделения графита, вследствие чего
модуль упругости и коэфициент линейного расширения чугуна
уменьшаются, а теплопроводность его увеличивается. Так,
например, из рис. 108 видно, что при формовке «по-сухому»
упругие деформации усадочной решетки меньше, чем при сырой
форме. Точно так же, по опытам Г. Н. Грищенко, разница в не-
личине напряжений в чугунных решетках отлитых «по-сырому»
и «iw-сухому», составляет от 20 до 40% (табл. 9).
Повышение температуры заливки несколько увеличивает
перепад температур в отливке в момент перехода более толстой
части з область упругих деформаций. Поэтому, несмотря на
уменьшение скорости охлаждения, имеет место некоторое, хот»
Литейные свойства чугуна
185
Таблица 9
Влияние скорости охлаждения на напряжения с5 и s3 в трех
брусках чугунной решетки
Отношение диамитлиь Орууков Суяая фярма Сырая форма
s3, ну мм1 о,, w/л.х1 во, ^г/л’Л1
1,33 1,02 3,5 2,9 2,(1 1,7 15,6 13,0 4,8 3,2 2,7 2,0 21,6 15,4
И небольшое, увеличение напряжений, как это видно из следую-
щих расчетов по формулам (87) ч (88) для чугуна с модулем
упругости Е = 8000 кг{мя? при Ra '• Ri — 2,0 и R — 1,4:
/ж, °C .... 5200 1300 1400 1500 1R00
оь кг/мм? . .—12,4 —13,6 — 14,4 —15,2 —16,0
г-, ,, . • 4“3,1 4-3,4 -|-4,6 4-3,8 4-4,0
- Поэтому, с целью борьбы с напряжениями, нельзя рекомендо-
вать заливку при высокой температуре. Уменьшение же скоро-
сти охлаждения отливок
следует вести другими
известными способами.
То же следует сказать и
о горячих трещинах, так
как всякое замедление
Охлаждения отливок яв-
ляется здесь особенно по-
лезным и уменьшает опас-
ность образования данно-
го ввда брака. При этом
не только выравнивается
температура в отливке,
но уменьшается скорость
усадки, а следовательно,
увеличивается время воз-
действия высоких темпе-
рце. НО. Влияние температуры и времени
заливки на образование горячих трещин
в вагонных колесах из отбеленного чугуна
ратур на формовочные смеси, которые успевают поэтому поте-
рять свою прочность и стать более податливыми.
Отсюда понятно благоприятное влияние толщины отливки п
подогрева формы. Повышение же температуры заливки, как по-
казали Н. И. Фейгин и Н. С. Массовер, в большинстве случаев
и здесь является вредным, так как приводит к большой разнице
температур в отдельных частях отливки, а следовательно, спо-
собствует образованию горячих трещин (рис. 110). Только
186
Свойства чугуна
^^ические деформациях
h 0.6
nnbrfs'i’ пластивесмедефоомоциигВ.Б'Х
6=0.3 о,'
пластические децюрмац^ и -д,35У.
-*" o=O.i6i
Рис.
ций
1.2%
j г у
Ill, Образование пластических дег(>орма-
за счет упругих в чугуне с 2,9% С,
Sf, 0.5% Мо, 1,0% Ni (з* = 37 л-г/.и.«2)
обработки. Остаточные напряжения в
устойчивыми и неизменными во времени
температуре. С течением времени
t
в тех случаях, когда горячие трещины Образуются в отливках
вследствие недостатка питания, повышение температуры залив-
ки может оказаться полезным.
j |ри борьбе с горячими трещинами но может быть также
рекомендовано применение сухих форм вместо сырых, если
усадка подвергается механическому торможеншо, так как со-
противленце усадке
при сухой форме
значительно больше,
чем при сырой. По-
этому сухие формы
в этих случаях по-
вышают опасность
образования горя-
чих трещин,, несмот-
ря на соответствую-
щее уменьшение
скорости охлажде-
ния.
в) Влияние
термической
отливках не являются
даже при нормальной
напряжения перерас-
пределяются и уменьшаются вследствие образования пла-
стических деформаций за счет упругих. Этот процесс, как пока-
зали последние исследования, протекает особенно интенсивно
в сером чугуне благодаря наличию графита, образующего пики
напряжений (рис. 111). Это приводит к уменьшению (релакса-
ции) напряжений и образованию деформаций (искривлений)
вследствие неравномерного уменьшения или перераспределения
напряжений. Полного исчезновения напряжений при этом не
происходит, но процесс уменьшения напряжений ускоряется при
вибрации и в особенности при повышении температуры. На этом
основаны практические способы борьбы с напряжениями: выле-
живание, вибрация, низкотемпературный отжиг1.
Наиболее эффективным мероприятием для снятия напряже-
ний в отливках является низкотемпературный отжиг, влияние
которого возрастает с увеличением температуры и в несколько
меньшей степени—с увеличением времени выдержки( рис. ! 12).
Большинство исследований устанавливает, что оптимальной
температурой отжига для чугуна является 500—600°; при этом
’ Я. А. Смоляииикий предложил в последнее время ускоренный
метод снятия напряжений (до G0—'80%) путем быстрого нагрева горелкой
напряженных частей отливки.
Литейные свойства чцн/на
187
остаточные упругие деформации и напряжения получаются
достаточно низкими, а падение механических свойств еще
невелико.
Выдержка играет значительно меньшую роль, чем темпера-
тура, н влияние ее уменьшается е увеличением времени. Можно
ограничиться 3-6 час. при 600” и 6—9 час. при 550°, хотя
некоторые заводы, по свидетельству А. М. Липницкого, выдер-
живают отливки в течение суток для более полного снятия
напряжений. Выдержка отливок при нормальной температуре
в течение 3 месяцев равносильна отжигу при 180—350°. Снятие
закалочных напряжений может быть проведено при еще мень-
ших температурах.
Отжиг для снятия напряжений применяется как в процессе
охлаждения отливок, так и после их полного охлаждения (до
или после грубой механической обработки). Для предотвра-
щения образования трещин во время охлаждения отливки в фор-
ме выбивку необходимо производить в горячем состоянии.
Рис, 112. Влияние температуры отжига и времени вы-
держки на снятие напряжений в чугунных отливках:
• — по данным С. Е. Розенфельда для чугуна С J.51/» Si и Sly
б — ио другим дакнем для чугуна с 2*/» Si
После этого отливку нужно немедленно перенести в предвари-
тельно нагретую до 500—600° печь, выдержать ее там некоторое
время (обычно 1—3 час.) и затем произвести медленное охлаж-
дение с печью до 200—250° со скоростью 15—50° час. В этом
случае напряжения и трещины не образуются. Скорость охлаж-
188
Свойства чугуна
дения в печи должна быть тем меньше, чем крупнее отливка
и чем меньше теплопроводность металла. Поэтому особенно осто-
рожно должно быть проведено охлаждение отливок из белого
или высоколегированного чугуна.
Для снятия напряжении в полностью охлажденной отливке
следует загружать ее в холодную или слабо нагретую (до 200—
400°) печь и медленно поднимать температуру для обеспечения
равномерного прогрева (при быстром нагреве тонкие части от-
ливки нагреваются скорее и образуются напряжения одного
знака с литейными термическими). Нагрев печи следует вести
тем медленнее, чем крупнее отливка и чем меньше теплопровод-
ность металла. Некоторые практические данные в этом отноше-
нии, собранные С. Е. Розенфельдом по заводам СССР, пред-
ставлены в табл. 10.
Более сложные виды термической обработки (закалка
с отпуском) еще сравнительно редко применяются для чугунных
отливок ввиду опасности образования треш ин, так как при
быстром охлаждении в воде во время закалки возникают напря-
жения в несколько раз (до 10) большие, чем при охлаждении
на воздухе. Высокие напряжения очень опасны для чугуна
вследствие его низких пластических свойств. Однако, благодаря
повышению механических свойств чугуна и улучшению методов
закалки, такая термическая обработка стала возможна в по-
следнее время и для чугунных отливок. Чтобы избежать тре-
щин, применяют закалку в масле или через воду в масле. Г1рн
этом охлаждение в закалочной среде ограничивают до опреде-
ленного предела, чтобы при известной температуре, пока напря-
жения еще не успевают развиться до опасных размеров, быстро
перенести отливку в печь для отпуска и снятия напряжений.
С этой же целью применяется также изотермическая закалка.
г) Влияние конструкции отливок. Величина на-
пряжений и опасность образования трещин в значительной мере
зависят и от конструкции отливки. Чем больше разница в тол-
щине различных частей связанной системы, тем больше обра-
зуемые напряжения. Пользуясь формулами (87) и (88), можно
рассчитать величину этих напряжений в отливках с разными
значениями: /?2; Для чугуна с модулем упругости
Е— 10 000 кг!мм2 при К = 2,0 получаются по расчету следую-
щие напряжения;
............. 1.0 1,5 2,0 3,0 5.0
7,, кг/мм*........ 0.0 -8,8 -25 2 -45,9 -62.fi
,, ....... 0,0 4-1,0 4-0,3 Д-5,1 4-2, Т
С увеличением значения &г : Ri напряжения в тонких сжатых
частях все время повышаются. В растянутых же толстых час-
тях они увеличиваются до /?2:--2,0—2,5, после чего падают,
190
Свойства чугуна
так как большая часть этих напряжений приходится в этом
случае уже на более тонкие часта. Большое термическое тормо-
жение усадки, как показывают исследования, способствует обра-
зованию не только холодных, но и горячих трещин (рис. 113).
Радикальным способом уменьшения опасности образования
трещин по причине термического торможения усадки является
изменение конструкции
отливки, превращающее
систему из связанной в
свободную, как это пока-
зано, например, на
рис. 114. Отделение ру-
башки от цилиндра двух-
тактного мотора в значи-
тельной мере избавляет
отливку от напряжений и
опасности образования
трещин. Та же цель до-
Рис. 113. Влияние отношения днаметроз
связанных брусков на величину напря-
жений з поперечинах чугунной решетки
и образование трещин;
I — решсткп с тонкими лопсремпглми; 2 — pt?-
швткн с толстыми поперечинами
По этой же причине сложные детали
стщается при отливке
шкивов или маховиков с
разрезанными втулками,
которые затем уже скреп-
ляются кольцами (напри-
мер и горячем состоянии),
оказывается иногда целе-
сообразным отливать из нескольких частей, чтобы затем соеди-
нять их на болтах. Если же изменить конструкцию для образо-
вания свободной системы невозможно, то приходится ограничи-
Рнс, 114. Связанная (а) я свободные (б, в) конструкции цилиндра
ваться созданием равномерного охлаждения всей отливки. В этом
отношении всякое выравнивание толщины отливки (рпс. 115),
устройство литых отверстий в толстых частях, а также создание
плавных переходов для уменьшения в них концентрации напря-
жений всегда приносят большую пользу при борьбе с холодны-
ми и горячими трещинами. В частности, в отливках из ковкого
Литейные свойства чугуна
191
чугуна рекомендуется делать радиусы закруглений (р) следу-
ющего размера:
Р = 0,4// + 2 М л, (90)
где /э — высота полок сочленения.
В отливках из серого чугуна радиусы закруглений, согласно
ГОСТ 2716—44, делаются от % до Уз среднеарифметического
значения толщин полок, образующих угол.
Практическое значение имеет также замена деформации
растяжения изгибом, что уменьшает опасность образования
Рис. 115. Изменение конструкции станины для создания равномерного
охлаждения
трещин.
Поэтому целесообразна замена
прямых спиц или сте-
нок изогнутыми.
В случае механического торможения усадки, особо опасного
в области образования горячих трешки, полезно выравнивание,
а иногда и увеличение толщины стенок отливок, создание
плавных переходов и максималь-
ное ослабление сил, препятству-
ющих усадке. В последнем отно-
шении целесообразно создание
конструкций, которые позволяли
бы применять более податливые
сырые болваны вместо сухих
стержней (рис. 116).
Все способы изменения конструкций
отливок имеют целью уменьшить на-
Рис. 116. Изменение конструк-
ции отливки с целью замены
сухого стержня сырым бол-
ваном
пряжения, а вместе с тем н опасность
искривления и образования трещин.
Для этого целесообраз.тэ так рас-
считать конструкцию отливки, чтобы
в ней ие возникали напряжения. При
этом выравнивание толщины отливки во всех ее частях не всегда выполни-
мо, и расчет должен обеспечить отсутствие напряжений в отливке даже
п₽и Условии неравномерного охлаждения ее частей.
и Например, шкив или маховик, как известно, состоит из тоех связанных
ежду собой частей: обода, спиц и втулки, охлаждающихся с разков ско-
ростью в соответствии с их приведенными толщинами R.
192
Свойства чугуна
Соотпстствуклцие коэфицяенты скорости и охлаждения (А) определяются:
1 1 , . 1
к, обода =я с —; Л» спицы—г , кя в i };щц = с
1 /С, "г «s
Упругие деформации и напряжения в отливке появляются с момента пе-
рехода наиболее толстой части в упругое состояние .(tj.
Условие отсутствия напряжений в системе сводится к тому, чтобы после
момента "з усадка обода равнялась по 'абсолютной величине усадке втулки
в спиц, т е
+ (91)
Неправильно
Рис. U 7, Установ-
ка ребер жест-
кости для увеличе-
ния момента инер-
ции сечения плиты
где я — коэфнциент расширения;
tt, G. 1з— температуры обода, спиц и втулки
в момент т3;
D] и О2 — диаметры обода и втулки;
!г—длина’ спиц.
Если это условие не будет соблюдено, то в отливке
образуются напряжения. При
a rtDL < t., t3 -J- a t3D3 (91a)
обод будет сжат, а втулка и спицы растянуты, как это
обычно бывает в шкивах. В противном случае, когда
1 ttL> । У- 2 я Л> I. + и t3D3, (У 16)
обод будет растянут, а втулка и спицы сжаты, как это
имеет место в маховиках.
Следует отметить, что борьба с искривле-
ниями и трещинами возможна также путем
такого изменения конструкции, которое не
связано с уменьшением напряжений, С этой
целью для уменьшения искривлений целесооб-
разно увеличение момента инерции сечения,
например, путем установки ребер жесткости
(рис. 117) или создания симметричного сече-
ния в отливке (двутавровое, крестообразное).
Для уменьшения опасности образования
горячих трещин весьма эффективным сред-
ством оказывается установка топких усадоч-
ных ребер (рис. 118). Эти ребра быстро за-
твердевают и охлаждаются, так что к опасно-
с целью уменьше-
ния ее искривле-
ния
му моменту усадки имеют уже достаточно
низкую температуру, а следовательно проч-
ность и пластичность, чтобы предотвратить
образование горячей трещины. Упрочняя кон-
струкцию, они полезны также в борьбе с холодными трещинами,
д) Влияние технологии формовки и заливки.
Борьба с напряжениями и пх последствиями осуществляется.
как указывалось ранее, понижением скорости охла-
ждения, созданием свободной системы или рав-
номерного остывания и устранением или умень-
шением механического торможения усадки.
Литейные свойства чугуна
193
Рис.
них
118. Установка усадоч-
ребер на чугунной
крышке
Технологический процесс формовки и заливки (свойства смесей,
способ подвода металла, время заливки и т. д.) должен способ-
ствовать осуществлению этих принципов.
Одновременное достижение этих целей не всегда обеспечи-
вается находящимися в распоряжении литейщика средствами.
Например, прим с пение песочных форм вместо металлических
понижает скорость охлаждения, создает более равномерное
остывание и более однородную структуру чугуна, уменьшает
механическое сопротивление усадке и, таким образом, со всех
точек зрения обеспечивает получение
меньщих напряжений. Применение же
сухих форм вместо сырых уменьшает
скорость охлаждения и способствует
Получению более равномерного осты-
"Вания и однородной структуры, но в
ТО же время увеличивает механическое
сопротивление усадке. Поэтому сухие
формы пригодны только для борьбы
‘С термическими напряжениями и хо-
лодными трещинами. i
Время выдержки отливок в форме,
Которое при крупном литье достигает
..кольких суток или недель, умень-
ет скорость охлаждения, но может
вать опасные усадочные напряже-
Поэтому при одновременном тер-
МйШском и механическом торможении
УСЯДКи представляется иногда необхо-
выбить отливку до достижения ее ____________________ ________
тяийратуры перехода в упругое состояние, освободить ее от
тбрайбзящих усадку выступающих частей формы или стержней
И; зйтем вновь накрыть полуформой для обеспечения дальнейше-
го медленного остывания.
Этот метод не всегда применим при борьбе с горячими тре-
Щикамй, образующимися при высоких температурах почти непо-
средственно после затвердевания. Поэтому основное внимание
при устранении горячих трещин должно быть уделено мероприя-
тиям по повышению податливости формовочных смесей и
устранению причин, препятствующих усадке. С этой целью
непосредственно прилегающий к отливке плотно набитый слой
сшоотВОЧНЬ,Х И ст<Ф*невых смесей, обладающий большим
(30 50BjuCH?<eri УсаДке, следует делать небольшой толщины
ппгт * ’ О^льное пространство либо заполняется более
лтлипым** материалами (кокс, огарки), либо утрамбовывает-
ся с меньшей плотностью.
13 3«- 805
толстыми частями
194
Свойства чугуна
Кроме того, необходимо подбирать такие смеси, которые
при нагреве быстро теряют свою прочность и оказывают мини-
мальное сопротивление усадке при высоких температурах.
С этой целью применяют смеси с пониженной влажностью, с ма-
лым содержанием глины, с увеличенной газопроницаемостью,
с крупнозернистым пе-
ском. с примесью опилок,
с канифолью в качестве
связующего и т. д.
Торможение усадки и
опасность образования
трещин увеличиваются с
уменьшением толщины
отливок и с увеличением
сечения препятствующих
усадке частей формы. По-
этому указанные выше
мероприятия по борьбе с
горячими трещинами дол-
жны применяться с осо-
бой тщательностью при
изготовлении больших и
весьма полезно кроме то-
го разделение больших стержней на несколько частей, что уве-
личивает их податливость. Необходимо также иметь в виду
опасность механического торможения усадки рамками (каркаса-
ми) и траверсами опок при их близком расположении к отлив-
ке (рис. 119).
PifC. 119. Правильные и неправильные рас-
положения траверс в опеке н размеры кар-
касов для стержней с тонки зрения опас-
ности образования горячих трещим
тонкостенных отливок. В этом случае
При отливке труб и других подобных деталей следует
обматывать каркас жгутом, соломой или другими материал-амн,
которые выгорают во время сушки и создают возможность
свободней усадки. Сборка форм должна производиться с боль-
шой тщательностью во избежание получения заливов, препят-
ствующих усадке. По той же причине не рекомендуется приме-
нять конические прибыли при изготовлении длинных отливок,
которые при усадке остаются висеть на прибылях^ что приводит
к образованию трещин.
При устранении горячих трещин немалое значение имеют
также мероприятия по борьбе с термическим торможением
усадки. Например, образование горячей трещины на запорном
клапане (рпс. 106, б) было устранено установкой холодильника
на ппжнеп полуформе, где металл охлаждался медленнее, чем
наверху. Необходимо указать, что применение холодильников,
в особенности больших размеров, оказывается иногда причиной
образования горячих трещин вследствие большой скорости усад-
Литейные свойства чугуна
195
ки прилегающего слоя металла и уменьшения возможности его
питания. Поэтому размеры холодильников должны быть подо-
браны в результате экспериментирования:
Выравнивание скоростей остывания возможно также путем
замедления охлаждения тонких частей отливки, например
Рис. 120. Равномерный подвод металла при отливке
ступицы из ковкого чугена во избежание образова-
ния горячих трещин.
— литниковая система с олшгм стояком; б — лятнЯХооМ
система с дцумя стояками
путем употребления особых изоляционных формовочных мате-
риалов, но эги мероприятия применяются пока сравнительно
редко. Гораздо большее значение имеет выбор способа и места
подвода металла. Так как борьба с напряжениями и их послед-
ствиями осуществляется! путем создания равномерного остыва-
ния, то подвод металла с этой целью должен производиться
в тонкие части отливки с максимальным рассредоточением пита-
телей во избежание местного перегрева и образования трещин
(рис. 120, а). Однако такой способ подвода металла создает
иногда связанную систему (рис. [20, й). Bg избежание образова-
ния холодных трешип в этом случае необходимо либо применять
литниковую систему с установкой двух стояков (рис. 120,6),
либо отбивать литники до перехода отливки в область упругих
Деформаций. Все эти мероприятия особенно необходимы при
формовке деталей из белого чугуна ввиду его большой склон-
ности к образованию трещин (высокий модуль упругости, низкая
теплопроводность). Серый же чугун представляет более благо-
приятный литейный материал и поэтому допускает подвод ме-
талла и в толстую втулку без образования трещин. Такой подвод
металла проще и, кроме тога, создает направленное затпердс-
ан!!е’ Целесообразное для борьбы с усадочными раковинами.
В зависимости от состава металла, конструкция отливки
технологии формы, должен быть сделан правильный выбор под-
13*
196
Свойства чугуна
вода металла. При этом следует учесть также замедление ох-
лаждения отливок вследствие наличия прибылей. Установка не-
скольких прибылей или выпоров взамен сосредоточенного пита-
ния в одном месте создает более благоприятные условия для рав-
номерного остывания, но способствует механическому торможе-
нию усадки вследствие сопротивления, которое оказывает фор-
ма между прибылями, выпорами и стояками. Поэтому приме-
няют иногда наклонные выпоры (и стояки) под углом около
30°, что предохраняет от образования трещин, в особенности
при высоких верхних полуформах.
Значительное влияние па образование трещин в чугунных
отливках оказывает также время заливки. Например, из рис,
1J0 видно, что с увеличением времени заливки количество го-
рячих трещин на поверхности катамия вагонных колес с отбе-
ленным ободом (под кокилем) увеличивается. Однако в боль-
шинстве случаев, когда горячие трещины образуются в массив-
ных частях отливки, оказывается более целесообразной мед
ленная заливка-
Из специфических мероприятий по борьбе с искривлениями
следует прежде всего указать на правку, которой подвергаются
при соответствующем нагреве чугунные трубы, станины, рамы
и т, п. При этом отливки нужно нагружать так, чтобы получил-
ся обратный прогиб, так как после снятия нагрузки проявляют-
ся упругие деформации и отливки изгибаются в обратную сто-
рону, полностью выпрямляясь.
Таким способом, по данным С. Л. Скоморохова, исправля-
лась, например, станина длиной 2,5 м под грузом в 6 г при тем-
пературе 750°.
Другой метод борьбы с деформациями отливок заключается
в увеличении припусков на обработку, которые в этом случае
должны быть больше, чем стрела прогиба. Вследствие перерас-
хода металла такой метод борьбы с деформациями нельзя счи-
тать рациональным — он может применяться только в краалем
случае и при индивидуальном литье, когда предварительное оп-
ределение прогиба затруднительно.
В других же условиях значительно целесообразнее приме-
нение фальшивых моделей (т. е. моделей с обратным проги-
бом), чтобы от^швка, нормально деформируясь, получалась в ко-
нечном счете прямой.
5. ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВЫХ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ВКЛЮЧЕНИЙ
Образование включений в отливках возможно путем про-
никновения их -извне (из формы, ковша) или зарождения вну-
три металла. Для образования включений необходимо, как ука-
Литейные свойства чугуна
197
зал Н. Н. Доброхотов, преодоление сил внешнего давления
(рВ1Л гидростатического напора (hd) и сил поверхностного на-
/ '.а \
тяженпя — Ь 2а
&р>рип + м+—.
(92)
Выделение газов и других включений в чугуне затрудняет-
ся при повышении давления и в отсутствии зародышей, так как
рри малых размерах включений (г) сильно возрастают силы
поверхностного натяжения- Наличие же зародышей, увеличивая
значение г, облегчает выделение и рост включений в металле.
По этой причине продувка чугуна каким-либо газом способст-
вует выделению других газов, находящихся в пересыщенном
растворе. Литературные данные свидетельствуют о том, что
Присадка соды в ковш уменьшает газосодержание в чугуне
благодаря выделению СО2 при диссоциации Na2CO3:
/ Содержание газов, сьив,'10и г
СО
49,3
10,3
Всего
85,6
4i.O
или дви-
печи, цен-
СО.
Швходный чугун......... 4,5
1Ждсле присадки соды . . 1,3
fjf. Благоприятно влияют механические встряхивания
Кения жидкого металла (плавка в высокочастотной
ЙВВобежная заливка и т. д.).
И? Механизм растворения обычных газов в чугуне состоит из
Ииюрбиии и диффузии. Объединяя изотерму и изобару растворимости двух-
Живминх газов (Н2, N2, Ог), получим;
31,8
31,2
1.2
диссоциации.
_Q_
(93)
И ' [Г) - с V Р е ,
jhrm — концентрация атомарного газа в растворе:
., у,/ , е - . коэфициент;
Р—парциальное давление молекулярного газа в атмосфере;
fcit 0 — тепловой эффект растворения (в термохимическом смысле):
'И* 7—абсолютная температура;
i'4s : к—константа Больцмана.
^.Растворимость газов в чугуне возрастает е увеличением их парциального
ОЙЙения. Зависимость же от температуры определяется знаком теплового
дефекта растворения. Если при этом выделяется тепло, то растворимость
увеличивается с понижением температуры. Если же растворение со-
ЧЙрЖдается поглощением тепла, то растворимость падает с понижением
ВДШературы. Как указал 10. А, Нехсндзи, истинная растворимость газов
ИО1£а неизвестна, так как обычно определяется лишь общее газосодержание
й Металле, т. е. не только то количество газов, которое находится в рас-
творе, но и находящееся в виде включений. Поэтому истинная раствори-
мость обычно меньше фактически определяющегося газосодержания в усло-
виях насыщения. Если равновесная растгюримость достигнута, то соответ-
•ТВующее давление определяется по, формуле (93):
(Р) =
(93а)
о
198
Свойства чугуна
При изменении условий, например температуры, должно измениться и пар-
циальное давление, которое необходимо для удержании газов в растворе:
</’>) =
С
с- е к1.
Если же парциальное давление газов не изменяется и (Pj > (р)т т0 в ме-
талле возникает давление выделения газов (ДР);
il'l* / ।
др = (Р1)-(О=1^г/-^-
I
е
_2_/_L__L\ Q / 1_____L\
= —£— (е “ I т ' — 1)= (Р)(е к т Л' —1). (94)
Q
С* е кТ
Это давление, при удовлетворен пн условия (92), приводит к выделению
газов из раствора.
Образующиеся в жидком металле или попадающие извне га-
зовые и неметаллические включения могут, при благоприятных
условиях, всплыть в прибыли, выпоры или поверхностный слой
чугуна, оставляемый под механическую обработку. При этом
скорость подъема газовых и неметаллических включений опре-
деляется в первом приближении формулой ((0). Поэтому уда-
ление включений происходят тем быстрее, чем они крупнее,
чем меньше козфициент динамической вязкости металла н чем
больше разница между уд, весами жидкого чугуна и вклю-
чения. Вследствие этого крупные и легкоплавкие включения,
легко коалесцирующие, удаляются быстрее, чем мелкие н ту-
гоплавкие. В этом смысле благоприятна также высокая темпе-
ратура жидкого чугуна, способствующая понижению его
вязкости и облегчающая коалесценцию включений. Наоборот,
низкая температура чугуна, и в особенности период его затвер-
девания. характеризуются высокой вязкостью, затрудняющей
всплывание газовых и неметаллических включений, которые
в этом случае остаются в отливке.
Общее количество газов (Н2. N2, СО, СОЕ, CHj), находя-
щееся в чугуне, колеблется обычно от 10 до 60 сж3/100 а, что
превышает объем металла до 4 раз, 'а при повышенных темпе-
ратурах— до 20 раз-
Считая, что СН<, СО и СО, представляют главным образом продукты
вторичных реакций:
2Н2 + С = CH,: FeO + С = Fe + СО; 2FcO + С -- 2Fe + СО,,
нужно принять, что главными составными частями газов в чугуне являются
Н2. iV-> ч О:,. Эти пазы могут находиться в ристэорс в виде соединений или
механических включений, причем последние сравнительно легко удаляются
из металла.
1 100 е чугуна занимают объем около 14 см3.
Литейные свойства чугуна
1У9
Едзэ ли не н-ибольшее значение нз всех указанных газов имеет водород,
несмотря на то, что содержание его в чугуне весьма невелико. Даже при
плавке в специальной атмосфере (18% Н5 я 82% найдено было еилср-
жаиие сслород;» а пределах 0,00!0,00023%. что соответствует 0.5—
2,5 ел3/100 г. В Других случаях максимальное содержание водорода было
онрсле.ч’но в 16 см'< ц.()
Содержание азота в чугуне колеблется в пределах 0,002—0.008% (1.6—
6,4 cm'/IOO е), общее же содержание кислорода, по данным Г. Я, Вейнберга,
достигает максимум 0.05% (по другим данным — 0,08%), но истинная рас-
творимость его, конечно, значительно меньше.
, Что касается содержания СО. то существующие методы его определения
/вряд ли можно считать достоверными Поэтому правильнее говорить об об-
’ <цем содержании кислорода в чугуне (в виде FeO или гтОМарпого раствора,
В форме СО и СО, и в виде разных неметаллических включений). При этом
еше раз подчеркивается условность приведенных значений растворимости га-
зов в чугуне
Эти газы, выделяясь в жидком чугуне, в особенности в пе-
риоде затвердевания, могут образовать газовые раковины. Такие
раковины образуются уже при содержании Н2 выше 2 сл13/!00г.
1 Газовые включения, образующиеся из газов металла, обыч-
но располагаются по всему сечению детали и в большинстве
'отливок данной плавки.
Раковины же по причине выделения газов из формы распо-
лагаются большей частью в наружных слоях изделия и могут
Поражать только часть отливок данной плавни. И в том и в дру-
гом случае формирование как газовых, так и усадочных рако-
вин заканчивается вместе с затвердеиаяисм металла, причем
Йозможностъ образования газовых раковин по причине выделе-
ния газов из формы завершается значительно раньше момента
оДОЛного затвердевания отливки. По данным П. П, Берга, это
-Происходит после образования наружного твердого слоя метал-
ла толщиной менее 3 лглг, что для песочных форм соответствует
периоду (по терминологии П. П. Берга — «критическое» время
/Образования газовых раковин) около 4 сек. после момента за-
Ливки- Корки меньшей толщины иногда прорываются газами
формы, в результате чего образуются подкорковые раковины
(«ситовины»),
Давление газов в раковинах может изменяться и после мо-
мента полного затвердевания отливки как вследствие измене-
ййя температуры, так и вследствие диффузии газов. Рстречая
па своем пути какое-либо нарушение сплошности металла (ра-
ковины. поры, границы зерен), диффундирующий атомарный
газ ассоциирует в молекулы. В результате этого давление газов
в раковинах повышается иногда до 3—8 ksIcj*'1. Подобные дав-
ления так же, как напряжения, вызывают внутренние трещины
в стали (флокены). В чугуне же. вследствие наличия большого
Яисла пор и адсорбции газов на графите, опасность образования
подобных давлений и трещин значительно уменьшена, и флоке-
ны не обнаруживаются. По этой же причине удаление газов из
200
Свойства чугуна
твердого чугуна затруднено и происходит со ркоростью в 30 раз
меиыпей, чем из стали.
Борьба с образованием газовых раковин проводится путем
уменьшения количества выделяющихся газов и облегчения их
Удаления через форму и металл. Этому же способствует связы-
вание газов в прочные соединения. Кислород лучше всего свя-
зывают кремний, алюминий, титан, кальций; азот — кремний,
хром, алюминий, титан; водород — ванадий, титан, цирконий.
Благоприятное влияние раскислителей и успокоителей за-
ключается не только в том, что они образуют прочные соеди-
нения (окислы, нитриды, гидриды), но также в том, что вслед-
ствие экзотермичиости реакций растворения газов в этом слу-
чае растворимость их повышается с понижением температуры,
и образование газовых включений при охлаждении становится
невозможным. Вместе с тем образуются соответствующие не-
металлические включения. Влияние их на свойства чугуна оп-
ределяется не столько количеством, сколько формой и располо-
жением, что, в свою очередь, зависит от состава включений, ус-
, ловий их выделения и способности смачиваться металлом.
Тугоплавкие и дисперсные включения, образующиеся в ре-
зультате реакций в металле (SiO2, А12О3, TiC, MnS и т. д ), яв-
ляются наиболее устойчивыми и часто служат зародышами,
располагаясь поэтому в центре кристаллитов. Более сложные
легкоплавкие соединения или эвтектики (силикаты, сульфиды,
богатые железом и т. д.) располагаются по границам зерен
и, смачивая металл, образуют включения в виде нитей, пленок
и цепочек, что приводит к понижению межкристаллитной проч-
ности и к горячеломкости, если эти включения не растворяются
при высоких температурах. Однако влияние этих включений
в чугуне значительно меньше, чем в стали, вследствие наличия
большого количества выделений графита, действие которых
принципиально аналогично действию неметаллических включе-
ний
а) Влияние состава чугуна, его температуры
и условий плавки. Согласно исследованиям Ивазе, повы-
шение концентрации углерода в жидком чугуне сопровождается
уменьшением содержания Н2, N2, СО и СО2 (рис. 121) Ч
В отношении остальных элементов нет систематических дан-
ных. Однако есть основания полагать, что кремний, уменьшая
содержание кислорода в чугуне, увеличивает в то же время
содержание водорода.
Поэтому такой чугун обычно характеризуется высокой газо-
вой пористостью. Особенно неблагоприятен в этом отношении
1 По абсолютной величине эти данные значительно завышены.
Литейные свойства чугуна
201
высококремпистый чугуч, в котором отсутствуют превращения.
1: Это объясняется тем, что кристаллизующийся в этом случае из
: жидкого расплава 5 -раствор с решеткой центрированного куба
1 обладает меньшей растворимостью для газов, чем гранецентри-
г ровапный к-раствор. Поэтому количество газов, выделяющееся
Температура, °C
Рис. 121. Изменение растворимости Н2, Ns, СО и
СО г в чугуне в зависимости от содержания углерода
и температур и
S Ж
50
25
затвердевании такого сплава, увеличивается и опасность
^^Жразоваиия газовых раковин повышается, тем более, что вяз-
ВЬ[С0кокремнистых сплавов больше, чем вязкость просто-
му туча
S]S^;r,Значение последнего фактора нельзя недооценивать. Чугун
-.меньшей вязкостью характеризуется меньшим газосодержа-
и меньшей склонностью к образованию газовых и неме-
ических включений. Поэтому в сером чугуне часто обнару-
ается меньшее содержание газов, чем в белом (табл. 8).
е благоприятно в этом отношении действуют повышенное
;ржание фосфора и пониженная концентрация серы.
, Относительно влияния легирующих элементов на содержа-
газов в чугуне известно пока очень мало. Можно только
Умазать, что растворимость водорода повышается с увеличе-
нием содержания никеля и с уменьшением содержания хрома
я алюминия. Несмотря на это, именно высокая ромовый чугун
особенно склонен к образованию газовых раковин ввиду резкого
понижения растворимости газов при затвердевании. Этому
способствует также повышение вязкости вследствие наличия
Жидком чугуне труднорастворимых специальных карбидов или
Других хромовых включений.
г Понижение температуры, как видно из рис. (21, уменьшает
Р&Створимость Нг и N2 в чугуне. Особенно резко понижается
202
Свойства чугуна
содержание этих газон в процессе затвердевания, что вместе
с Увеличением вязкости металла сильно повышает опасность обра-
зования газовых раковин. Вместе с тем можно видеть, что рас-
творимость СО и СО2 в чугуне повышается с пониже-
нием температур ы, что подтверждается и более поздни-
ми исследованиями Чипмена и др.
Температура, °C..........
СО г .......
1350 1470
0,0 '51 0,0058
4,1 4,0
1520 1650
0,0036 0.0030
2.9 2,4
Однако указаиная зависимость характеризует не столько
действительное содержание СО и СО.? в чугуне, сколько общее
содержание кислорода. Концентрация же кислорода падает
с повышением температуры вследствие эндотермичности реакции
раскисления:1
С 4-FeO^ Fe + СО —Q, (95)
Fe,C + FeO^4Fe + СО — Q. (95а)
При этом возникает естественное сомнение, могут ли СО
и СО5 быть причиной образования газовых раковин, если при
понижении температуры растворимость этих газов увеличивает-
ся и реакции (95) и (95а) должны иттн налево, т. е. в стирону
связывания газов. Па этот вопрос все же следует ответить ут-
вердительно, так как в самом процессе затвердевания чугуна
происходит уменьшение растворимости СО и СО2. Точно так же
и в результате реакций (95) и (95а) возможно выделение СО
и СО3 в периоде затвердевания чугуна. Это происходит потому,
что избирательное затвердевание приводит к повышению со-
держания углерода и, следовательно, к уменьшению концент-
рации железа в маточном растворе. Гследствие этого реакции
(95) и (95а) должны протекать направо с выделением СО. Та-
кое выделение газов в процессе затвердевания особенно опас-
но с точки зрения образования газовых раковин, и его следует
в максимальной степени избегать путем соответствующего рас-
кисления чугуна. С этой целью применяют присадку коемния,
титана, ванадия, алюминия и других элементов. Опасность об-
разования газовых раковин при этом уменьшается, несмотря на
то, что присадка раскислителей, связывая газы, увеличивает
обычно содержание их в чугуне.
Следует учесть, что присадка большого количества алюми-
ния, в особенности к мягкому чугуну, может, по свидетельству
। Следует отметить, что вопрос о знаке тепловых эффектов реакций (95)
и (95.il является до сих пор спорные, и А М. Самарин, например. ечтмет
Эти реакции экзотермическими. Последнее исследование, проведенное под
руководство’’ М- М. Карнаухова и Л. И. Морозова, подтвердило эидотермпч-
ность этих реакций.
Литейные свойства чугуна
203
И. Н. Богачева, оказаться весьма опасной вследствие более
IflL интенсивного понижения растворимости водорода при затвер-
дедании чугуна. Это же явление отмечено автором и на ковком
И- чугуне. Кроме того, при заливке чугуна в сырые формы возмож-
к на еще реакция:
К . ЗН2О + 2А1 = А12О, + ЗН2. (96)
Fыделяющийся по той или иной причине водород может
вызвать газовую пористость отливок.
* Свойства исходного чугуна и условия плавки его в домен-
; jlbfi печи также имеют большое значение. Поэтому время схода
Фиолош, давление н температура дутья, состав и количество
Щплаков и. наконец, состав штыкового чугуна в значительной
Ёйере определяют содержание газов и неметаллических включе-
кпий в чушковом чугуне и в отливках. Так, ускорение схода ко-
|&ш способствует переходу а чугун большого количества не-
Восстановленных окислов. С увеличением количества окислов
селеза в шлаке увеличивается содержание кислорода в чугуне,
ктому же способствуют, как показывают литературные данные,
повышение температуры дутья и понижение содержания фос-
Ора в чушковом чугуне:
вдатит ..........................
угун. выплавленный на холодном
,;вут с .........................
Ьсфорнсты,! чугун................
Ии-101,% о, 10-, % х, Н
4.5—16,0 30—880 10—50
2,0-2.5 20—10 20—’0
2,0—7,5 15-160 10—55
Повышение давление дутья способствует большему <погло-
!Нию газов. Точно так же увеличение содержания кремния,
Жи-Ёязывая газы и препятствуя «кипу» чугуна в горне, имеет след-
w-ЭД'-вием повышенное газосодержание в чушковом чугуне. Этому
способствуют обильные и крупные выделения первичного
Шафита в чушковом чугуне, ча поверхности которых адсорби-
Дуются газы. Поэтому отливки из древесноугольного чугуна ха-
факторизуются меньшим количеством газовых и неметалличе-
ских включений, чем отливки из коксового чугуна.
' . Следует иметь в виду, что употребпяемые в шихту ферро-
сплавы, а иногда и отходы содержат большое количество газов
И вносят их с собой в металл (содержание водорода в ферро-
силиции достигает 15 слг‘/100 а).
Большое влияние имеют также условия вторичной плавки.
Рядом исследований доказано, что чем окислительное шлаки
в печи, тем больше содержание кислорода и других газов в чу-
гуне и тем больше опасность получения газовых раковин, однако
восстановительная атмосфера также опасна в этом отношении.
В большинстве случаев при правильном ведении процесса содер-
204
Свойства чугуна
жанпс газов в чугуне уменьшается при вторичном переплаве,
как ои этом можно судить по следующим литературным данным^
ILW. % O.'IIJ1, % X, -ИГ, %
Исходный чугун . ,.............. 16 1ВД 20
После переплава ....... 2,5 20 М)
С увеличением содержания влаги в топливе и в печной атмос-
фере поглощение металлом водорода, кислорода и азота уве-
личивается, что облегчает образование газовых раковин. По-
этому влажность воздуха, подаваемого в плавильную ’печь для
горения топлива, может оказать заметное влияние на образо-
вание брака по причине газовых включений в отливках.
Что касается шлаковых включений, то отделение их от ме-
талла происходит тем легче, чем меньше вязкость чугуна, По-
этому повышение температуры металла очищает его от шлако-
вых и других неметаллических включений и является важным
фактором борьбы с браком.
б) Влияние конструкции отливки. Конструкция
отливки имеет немаловажное значение в деле борьбы с газо-
выми и неметаллическими включениями. В этом отношении
прежде всего играет роль приведенная толщина отливки, опре-
деляющая скорость охлаждения и затвердевания металла. Чем
меньше эта скорость, чем больше соответствующее время ох-
лаждения и затвердевания, тем легче обычно удаляются газо-
вые и неметаллические включения. Поэтому возможность обра-
зования указанных пороков в тонкостенных отливках, при про-
чих равных условиях, больше, чем в толстостенных.
При этом следует отдавать предпочтение конструкциям от-
ливок, построенным по принципу направленного затвердевания,
так как газовые и неметаллические включения в 'этих условиях
постепенно переходят из тонких частей в более толстые и, на-
конец, в прибыль. В отливках же, сконструированных по прин-
ципу равномерного затвердевания, образование этих включений
происходит одновременно по всему сечению,—тем самым всплы-
вание и удаление их затрудняется. Поэтому местные разогревы
формы (например, при сифонной заливке), нарушая принцип
направленного затвердевания и вызывая обильное газовыделе-
ние из формы, могут оказаться причиной образования газовых
раковин в отливках.
Попадающие из формы или образующиеся в металле газо-
вые и неметаллические включения всплывают, поражая верхние
части отливки. .Очевидно, образование этих пороков происхо-
дит тем легче, чем больше размеры верхних горизонтальных
плоскостей. Поэтому они должны быть по возможности умень-
шены и заменены наклонными плоскостями (рис. 122). По той
Литейные свойства чцгцна
205
Рис. 122. Замена горизонтальных верхних
плоскостей наклонными с цолыо облегче-
ния удаления газовых н неметаллических
включений
газы, конденсируется влага и часто
плохом лужении, что способствует обра-
вдб причине следует избегать всякого рода глубоких боковых
карманов и выступов, из которых удаление воздуха и газов
Утруднено.
к. Крупные внутренние полости в отливках должны всегда
Ьеть достаточно большие отверстия для образования знаков,
иерез которые газы,
Еделяющнеся из стер-
Ккдей, могли бы сво-
ВюДно удаляться без
Вшсного прохождения
Нндез металл.
В[ Увеличение этих от-
ИЬстий и соответствуй
Мких знаков является
Ирто необходимым ме-
Ийриятием для борь-
В| с газовыми раковь-
Ими. Кроме того, це-
Мкообразно обеспечить
И»Ойчивое положение
Иржпей на иесколь-
^Е знаках во избежа-
Mr применения жере-
к На жеребейках
^Ерши адсорбируются
Ииется ржавчина при
Ивдшию газовых включений в отливках.
ш Влияние технологии формовки н заливки.
Кма, заполняющаяся жидким чугуном, является мощным
Игочником образования газов, количество которых во много раз
ИЕвосходит количество газов металла. Сюда относятся воздух,
Мблняющий полость формы и вытесняющийся во время залив-
Иь в газы, выделяющиеся из формовочных и стержневых сме-
ИИг при соприкосновении их с жидким металлом. Один только
UffibeM воздуха формы составляет около 15 слгДОО г чугуна.
Шбъем этот может значительно возрасти за счет засасывания
^Й>здуха во время заливки, что наблюдается при незаполненной
.(Незамкнутой) литниковой системе или завихренной струе
Чугуна. Еще большее значение имеет газотворпость формовоч-
ных и стержневых смесей. Опа определяется количеством выде-
ляющихся паров воды, газов от разложения органических прн-
цйгесей, продуктов распада, карбонатов и газификации угля.
^Поэтому формы должны иметь достаточную газопроницаемость я должны
мыть тщательно вентилированье Интересно отметить, что с этой целью
Б. Хазан применил дцже искусственный отсос газов вентилятором.
20fi
Свойства чугуна
Во nci'x случаях излишняя влажность формовочных смесей (свыше э?’),
иь'.плч.з у гл и с । их веществ и ллоунсл реинение «up и м<и| щщ» при фор мощ.. е
ко со .>р> ixiy _ d иКЖ(? недостаточная и рис у, 111, .1 форм ирц формовкс по-сух i.yy
''1'.-:i ,l.l <l-,!i>il;;i ipicfo причппиv:i «бриЗоп.1Кпи гш,<>ьых p;ir;cцр|।< в oi.'IiIHkh.x.
L-.i.'iyn у r.;i j;i г i>, ч t о ьоличес ши НЫ c.. i я lei i к ua ;| r, ц .пи ми il’Ji i,miii c:,;-
ll'Uill /..IIHCIII uf TI’M[tL’pU 1 уры про1 pen,| фирмы I 10 il'.-чу fl.mcllv llpl.>C.'K>H»li
«['= :pl;iw i'i in ill смеси (между ЛКУМЯ ujjl.ikd p.-ic пол u ,к..i.iuii о г.'ишкамн, Me.к-
лу С1ЧЯК1.1М H OTJIllUKUli, у реоер Н Т. Д. ), С И-'ll-! rl-.J 11 р! II |! е ijя с,,, выдели.-Г!
i.io.'i I. ш 11 е г и. и чист на газон и части образую г пористое i в и -.цлпцках. Еще
Gii.'iыисе значение Имесч тазотрориосгь сiс-ржней. кор'рые ги'ычци кругом :ti-
л и и; ноте ы меытллом. При этом из сырых стержней пьцеляндея. глинным об-
разом, инрЫ воды, а из сухих — продукты разложении и <жие..;|е|;пя связую-
щих. В зависимости or их природы изменяется количество кыдслнющихся га-
зов. Например, ряд исследований показывает, что наименьшей га зот нерп остью
характеризуется глина, затем сульфитный щелок и, наконещ масла.
Кроме абсолютного количества газов, большое зна-щнпе имеет кинетика
их выделения, так как опасности образования газовых раковин определяется
только первым периодом охлаждения и затвердевания металла (до момента
образе нация достаточна массивной корки)
Особенно велика газотворпость стержней с масляными и другими связую-
щими при несовершенной просушке. В этом случае количество газов обычно
так возрастает, что происходит «кип» стержня с образованием больших газо-
вых пузырей в отливке. Поэтому цравилыт'! и полной просушке стержней
к форм следует уделять серьезное внимание. Вместе с тем и хорошо просу-
шенные стержни могут оказаться причиной брака, если они сделаны па гигро-
скопических cfifiayioiних (сульфитный щелок, патока и т. (1) и гщдержипщотся
перед зх'гипкой длительное время в сырой форме, В этом случае стерЖщ-1
впиты чают плату, что зызыинс-т «кип», н особенности при тонких стержнях.
в которых невозможно устроить надлежащие по величине вентиляционные
Капилы. Поэтому при форхюнке очень мелких деталей приходится иногда
иакрын.зтп нолуформу толгко иешн.-релстпе'пно перед заливкой. -- kHmi.'
стержни успеилют отсыреть настолько, что приполят к получению брака.
Ттк.тя же конлепсацпя плпги и образование «кипа» нозмпжиы в кокильном
литье Или при примсиеппг! холодильников вследствие осаждения влаги на хо-
лодных стенках металла. Во избежание этого
Лоли.чышки предварительно подогревать (до
I’ih-. ;2б. Кинетика ii.'.Mciirii.г.| л'nrieHiiH та-
::<iii п k.iii.t.'il- стер,к шт корпуса
рщ|г.[тя газовых раков.пр, а в а ч е и п
с о- м i [ е ; [ 11 о Oomiuc, чем зиач
брака необходимо кокилн и хо-
80—120°) и красить (маслом.
графитом). Несмотря да то.
что покрытия сами по себе
являются источником газо-
образования, они оказыва-
ются полезными, так как
предохраняют поверхности
металла от конденсации
влаги и ржавления.
Таким образом, об-
щее количество газов,
РЬЩСЛЯЮНШХСЯ из фор-
M6I. во много раз ггре-
ВОСХОДИТ Ь'СОШ'ИЧ.'ТВО
гдщщ вы делян Hut । хея
ibi Mer;t.p.!'i;f, [], Х(|ДЯ ре
иге этгг газы опасны с
точка зрещ|Я <-л'р;т\',1-
с газов ф о f> х, 1,1 и е-
екие газов чугуна.
Литейные свойства чцгцка
20/
'Г а б а н па U
Давление газон (сверх атмосферно™) в рчзных местах формы и
з>« it «о Vi ij ..рс.меи । и в а к , о: i и месс л, «« ип i. с .
Скопление газов создает определенное давление, величина
которого сначала быстро возрастает, а затем падает, как это
впервые показано Ю. Я. Финарти, а затем и другими. Это дав-
ление огибеыпо велико при бо,'н- uroi'i влажности смесей и на
расстояниях, близких к поверхности раздела металл — форма
(табл. 11).
Такое же нарастание давления газов иаблп/дается и в стерж-
нгх. Гак, например, измерения давления гжзов в канале стерж-
ня корпуса, произведенные Д. М. Моделсвичем и В. J1, Абра-
мовым, показали, что оно сначала растет (тем больше, чем
больше газотвopiгость стержня), а потом падает (рис. )23).
Образующиеся газы удаляются как через металл, так и че-
рез форму, но со скоростями, обратными соответствующим
противодавлениям. Поэтому во избежание образования газовых
раковин противодавление со стороны формы должно быть зна-
чительно меньше, чем со стороны металла.
В некоторых случаях газовое давление удается использовать в литейных,
например, при изготовлены! канализат.иопйых труб по старому стационарному
способу (рис. 124) 1.
Для 5UIX ста ивок 11 р lire I г я Ют обычно сырые стержни, в вентиляционных
каналах которых гсонрасгея 'ю.Инное количество парни воды и других гатив.
Д.тя повышения давделр! з;пх гт.юв выходные отперт । Ия в е я т! и я I uto i i i ты к
каналов забив яогся кадып.1 на я и. как то.'нжо отлцпкн знт вср.чевто г Черев не-
которое п [тем т кот т.| in кп । I j Г) ।, i in т с я. Н а х ед нтин/т я нон дл к tci i new газы вы-
рыт -aiOTeii с Cj;,1,[[|(,й cff.iiii'i. увлекая с еобоГ: 'кр'тк сleii/KKi-'iiOH смесн, ттслса.-
Сттнц- 'ито мсти.'!ли'И'скнй киркте мп;к<>т Г,|,1г1' -'Н'тко уналец.
Ызпако т> С< ,ji [,|и hi ic I tin случгк'и Т|Ы1.'11.||< ir l<t'"tr.'l enue (i:")ii „а ((тормы щтгт
CTaicnit'[ (iniiCKneTi. <• иiivi t;i'.оаых |i;iks>hh!I н отливке и дал»' нн'П’
ПО tin ч,МОЖНОС |';| [, рсД<) ГН [Hl till.' |lt\
1 Канал и лтнонные трубы начали отлипать сейчас центробежным сносбом
208
Свойства чугуна
Требования технологии формы, с точки зрения борьбы с газовыми и неме-
талла четкими включениями, подробно налагаются в курсе «Изготовление мо-
Дс.-и.'н И форм». Отметим только, что наибольшее випм/нще при этом уде-
лис 1< п слою формовочных смесей, соприю,еще,щемуси т-ппсродственно с ме-
гл.'.'пм. Это объясняется не только тем. что вследг-iлпе сильного прогрели
слой -jtut является наиболее газотвориым it наименее (проницаемым 1, но
Рис. 124. Рациональная, утилизация давления газов при формовке кана-
лизационных труб
Я стержней. Особенно важно обеспечение горячей
Рис. 125, Формовка содового котла болваном
вверх для лучшего отвода газон по естествен-
ному потоку
также и тем. что вследствие максимального противодавления формы в этом
месте газы легче проходят через металл. Чтобы воспрепятствовать движению
газов в этом направлении, П. 11. Берг рекомендует создание направленного
га.зов(Т<| потока п форме, т. е. постепенное повышение условной газопрони-
цаемости от отливки к наружным частям формы. Поэтому полезно естествен-
ное направление газового потока вверх, что облегчает вентиляцию формы, как
то рекомендует И. С. Григорьев (рис. 125).
Одновременно должна быть обеспечена достаточная прочность формы
прочности, чтобы пе было
разрушения и смыва вы-
ступающих частей формы
и образования засоров
н других видов брака.
Во всех случаях формы
И стержни должны быть
правильно изготовлены,
прочищены и тщательно
собраны, чтобы обеспе-
чить отсутствие засора
з системе и эффектна-
ное действие вентиляци-
онных каналов.
Большую роль в
борьбе с газовыми
п неметаллическими
включениями играет
также способ подво-
да металла. Каждый
из двух основных способов подвода металла—сверху и сифо-
пом..имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения
получения здоровой отливки.
• Условная газопроницаемость Уменьшается с повышением телнературы
вследствие увеличения объема и вязкости пазов.
Литейные свойства чугуна
20J
Заливка сверху создает противоток между газами и метал-
лом, что затрудняет удаление воздуха и газов из формы. Кро-
ме того, при верхней заливке скорее возможно разрушение
формы при падении струи металла (особенно при высоких фор-
мах). В этих же условиях, в особености при большом содержа-
нии серы и низкой температуре металла, создается опасность
Рис. 125. Ко-
рольки в чу-
гунных отлив-
ках
образования корольков. Чугун, падая вниз, разбивается в этом
случае на мелкие шарики, которые быстро окисляются и под-
.хватываются поступающим металлом. Вследствие реакции ме-
<ду окислами и углеродом чугуна, происходит иногда образо-
ание пузырьков вокруг нерастворишпихся корольков (рис. 126).
1рц кокилыгом литье заливка сверху приводит иногда к обра-
зованию
«заплесков», т. е. несваривакшшхся тонких слоев
не-
быстро затвердевающих на
[Ы. Эти слон металла окисляются,
металлических стенках фор-
что приводит к образованию
азовых раковин.
Сифонная заливка в основном лишена указанных недостат-
рв, хотя в некоторых случаях и она может привести к обра-
зованию газовых и неметаллических включений. Это чаще всего
Ниеет место вследствие сильного разогрева нижней части фэр-
1Ы. Точно так же при сравнительно больших горизонтальных
. носкостях металл, пройдя длинный путь по форме, быстро за-
твердевает и покрывается окислами. Эти окислы восстанавли-
ваются следующими порциями металла, что может оказапюя
Причиной образования газовых раковин. Наконец, сифонная за-
ливка, вследствие большой высоты стояка, может привести
к разрушению литниковой системы и образованию засора (во из-
бежание этого ее устраивают часто в два этажа). Поэтому вы-
бор способа подвода металла должен производиться каждый
раз в зависимости от данных конкретных условий, как это по-
дробно анализируется в курсе к Из готовлен не моделей и форм».
Большое значение имеет и время заливкн. Как правило, мож-
но утверждать, что чем меньше скорость заполнения формы,
14 a®, sea
210
Свойства чугуна
тем t"cj.'i|,ше времени предостаиляегся для вытеснения воздуха
11 не[?..-| ыпа1[।[я газовых л немсталл 11 ческнх вкди и|еппй.
Ьыс.т|>,'i-д зплннк;:: может но 'тош-ко прпы-г; и к захлсстыва
nun-1 формы, но опасна также н с точки зрения бурного
вы.Н'.'и'ния гачи!, которые, наган,пинаясь и форма, ш,| । >ы на г >те >:
затем с образом ноем * хлопка.» 1, что мо,не г вызвать обвал
настои формы и засор. Для уегр a 11 с и i! я подошн.:'-, aiaaeiHiii реко-
мендуемся зажигать газы, выделяющиеся из S|TyiiH;.:x ihopxr. Это
убеИчДает в нормальном действии всптиляцийтыл каналог.
н способствует равномерному газояыделешмо. Целесообразно-
также прикрывать выпоры крышками н нс снимать их го нремя
заливки, что не только предохраняет формы от засора, но
п обеспечивает медленное гдзовыделепне.
По всем этим причинам следует отдать предпочтение мед-
ленной заливке. Однако слишком медленная заливка может
привести к окислению зеркала подымающегося в форме метал-
ла. Окислы могут задержаться у каной-лпбо выступающей
части формы п образовать завороты н газовые включения. Ука-
занный вид брака является особенно частым при сифонной за-
ливке, так как при заливке сверху падающий чугун разбивает
пленку окнелов па зеркале металла.
Медленная заливка, хроме того, приводит к для тельному
воздействию лучистой теплоты метa-'b.'iа на формовочные смеси,
так что при псдосч аточшш термоусгойчи пости происходит
разрушение формы (в особенности верхней ее части) н обра
зоваппе «плен» п «наплывов». Поэтому скорость и время за-
ливки должны быть целесообразно выбраны в зависимости от
конструкции отливки, технологии формы, свойств формовочных
смесей! и способа подвода металла в соответствии с существую-
щими нормами. При этом весьма полезно устройство «пере-
пуска» металла через выпоры и прибыли, что по существу удли-
няет время заливки.
Во всех случаях течение металла в литниковой системе
должно быть спокойным2. Подвод металла в форму должен
быть осуществлен так, чтобы не было прямого направления
струи на стенку формы или стержня.
Наконец, следует отметить, что г точки зрения борьбы с га-
.новыми п неметаллическими включениями в чугунных отлив-
ких очень большую роль играет температура заливки. Как по-
1 1 I о и" и п<лТ «.x.-ion к< ы» может быть также сильный прогрев (Торны, iionnri-
мер. .TITO'Ж и; । |: г< । s'l । Jul j > м t. i'l. |! ун>м ел V ч; i е I: <Р(;ЬМе об ТО iv i?T с и i рем
г ле । :, и:: । Ы и I I-... in ,i;i i.'.'n 111 г i;; i х с :: гы ер: л; । и11 ре к i: х не отос т г п во что-: л.
I [и j г, ;М\' ЬИ-i <-'Т<;иt>111!t>ji i.11,:IKp ai.-TOTii бтоыного ip-priii,:н.п г.к'.КДх
иI)jp If::I: .:.: ir I-1< i: 14'pxncii и IBBI-: 11 e lr ф-ipM.
г Л.::п |?Г;есреч..-;ц|я ci I оь о Гц t i<n-’irniia металла необходимо потоп ковши
держпть ток можно u.'iiiikc к ipuiine.
Литейные свойства чугуна
211
казал п. II, Верг; гювышенпе температуры заливки чугуна
уменьшает опасштг'гь образчвнния газовых раковин в тем боль-
шей слепень, чем г'юльше или гкиость п меньше r;i3oiiр<1 нi;:г;iе-
МОС П, ф< 1р м (>|Ш'Л iЫ<; хцтей
I Ь)[1| пШеННС T1-Миера-
rypbi залшмш Оказывает-
ся благинрвагш ;м, Пото-
му что пр;: этим умень-
шаются вязкие';;., чугуна
и «критичесгюс» время
образования газовы.х ра-
ковин, хотя абсолютное
количество газов, выделя-
ющихся нз металла и
формы, становится боль-
ше.
Так как опасность по-
лучения брава по уса-
дочным раковинам, на-
пряжениям и треыштам в
чугунных отливках срав-
нительно нс так велики,
как ci । ас пиг;т. образина
НИЯ газовых раюшнп, то
и neeri формы в ш'лом (рас. 127).
Pile. Рет. Ил и и и нс тем ri<- |ы г уди загнткн п.г
<16|HCH4l,!l|l[C r.I.liirlJX 11 .1 Г < IЦ111 [ Il <IV I'V IlilNlt
«.пли ига * i' 3.'!iiiirii\-n«'i и <sr гаивпьсиннчг-
MecTii и । ci a ii< и < k?t i [ r|iti]) м oi.Ki'i и |л x смесей
повышение температуры
заливки является обычно решающим фактором уменьшения бра-
ка (исключение представляют толстостс!i11i,ie отливки, темпера-
тура заливки которых должна быть соответственно понижена).
6. ЛИКВАЦИЯ
Чугун, как и другие сплавы, в большей или меньшей сте-
пени склонен к ликвации. В зависимости от характера образую-
щейся химической неоднородности, ликвация, как известно, мо-
жет быть внутрикрнсталлитной (дендритной) или зональной.
Дендритная ликвация является следствием избира-
тельного затвердевания, ограниченности диффузии и недоста-
точности времени для установленья равновесия между кристал-
лами твердого раствора и жидкой фазой. Она определяется со-
отношением скоростей крис гад лизании и диффузии. [-Ian боль-
шей склонностью к дендритной JiiiMMiiiiii отличаются углерод,
сера, фосфор, кислород, т. е. улсмоиты, офш. ш г и i о :е с жел'.-::г1М
бош । ,ц нт с, иптгрнал крне| аллнзащы.
Так как диффузия и [Н1|равп;шш1но состава крнсталлги, про-
исходит е определенной скоростью, то очевидно. что де н.т я чти.а я
Ликвация будет тем сильнее выражена, чем меньше козфини-
14*
215
Свойства чугуна
мт диффузии элемента н больше скорость охлаждения. При
этом концентрация ликвирующего элемента в кристаллите воз-
растет от центра к периферии, поэтому среднее содержание
его всегда меньше равновесного. Подобная ликвация может
быть заметно уменьшена благодаря диффузии при длительной
выдержке при высоких температурах (диффузионный отжиг).
Однако полностью уничтожить эту неоднородность практиче-
ски ие удается.
Особедно большое значение по своим последствиям (ухуд-
шение свойств чугуна) имеет зональная ликвация,
создающая разницу в составе различных слоев или частей от-
ливки. Она развивается тем сильнее, чем медленнее охлаждение,
и не может быть уменьшена диффузионным отжигом.
Зональная ликвация вызывается различными причинами
в разные периоды охлаждения и затвердевания чугуна: 1) рас-
слоением в жидком состоянии, 2) перемещением твердых фаз
под влиянием разницы в уд. весе (ликвация по удельному
весу), 3) перемещением жидких фаз и процесса кристаллиза-
ции. В зависимости от направления этого перемещения ликва-
ция может быть прямой, обратной и газовой.
Основными причинами зональной неоднородности в чугуне
являются перемещения твердых или жидких фаз в процессе
кристаллизации. Ликвация по удельному весу чаще всего опре-
деляется всплыванием более легких включений (графит, суль-
фиды). Перемещения же жидкой фазы (ликвата) в процессе
кристаллизации происходит под влиянием атмосферного и гид-
ростатического напора, давления газов, давления вследствие гра-
фитизации и усадки и т. д. При этом ликваты, по теории В. И.
Добаткина, перемещаются либо к центру (прямая ликвация),
либо к периферии (обратная ликвация), либо к полости рако-
вин (газовая ликвация). Например, уже давно замечено, что
углерод и фосфор, концентрируясь в быстро охлаждающихся
наружных частях отливок, образуют обратную ликвацию. От-
ливки имеют при этом шероховатую поверхность, покрытую
каплями металла (рис. 128). Такая ликвация часто затруд-
няет механическую обработку отливок.
Существует много теорий, пытающихся объяснить явление
обратной ликвации. Наиболее вероятно, что капли ликвата вы-
давливаются на поверхность отливок из центральной, незатвер-
девшей еще части. Это давление может быть вызвано усадкой,
процессом графитизации, газами и т. д. Выдавливание облег-
чается при наличии трещин, пор, междендритных прослоек
и зазора, образующегося между отливкой ц формой. Некоторые
из указанных причин (большая усадка, наличие зазора, графи-
тизации и др.) значительно облегчают образование обратной
ликванни в кокильном ллтье.
Литейные свойства чугуна
213
Вверху Внизу
0,21 0,11
ь а) Влияние состава чугува. Из элементов, встреча-
I ющихся в чугуне, наибольшей склонностью к ликвации как ден-
। дритной, так и зональной, обладают сера, фосфор я углерод
Е (табл. 12). Особенно большое значение имеет зональная лик-
Г ваий я серы по удельному весу. Образующийся в чугуне MnS
Г обладает низким удель-
* ным .весом и всплыва-
I* ет наверх, обогащая
^-..верхние части отливок
р.фзСеро:! и марганцем.
^ЖДгот процесс наблю-
ЯйЙййается сше в жидком
МЫгеУгуне. При этом чем
ИМуолыие содержание ли.
Вяйвирующих элементов,
Игорем больше ликвация.
Кш Место
^Жтанализа
с о /
°1 /0
Ию Такого же рода ли-
ЦКсваЦШО может дать И рис. [28. Обратная ликвация и отливке
Ийглерид в заэвтектиче- валка
«ком чугуне вследствие всплывания спели. По некоторым исследо-
Ннжаниям, разница в содержании углерода вверху и внизу чугунных
Нетушек доходит до 0,27%. Подобная ликвация углерода, и в осо-
^Ебенности серы, может настолько понизить свойства чугуна, что
ПсЬдо месту ликвации происходит разрушение отливок, как это по-
Кказал А. М. Бочвар при исследовании водопроводных труб.
Ю&, К обратной ликвации особенно склонны углерод и фосфор
•уЖдТабл. 12), При этом состав ликватов (корольков на поверхно-
' чТЕети отливок) иногда близок к фоефидной эвтектике.
Таблица 12
Обратная ликвация в чугунных отливках
Места взятие пробы Содержание элементик. %
с Si | Мп 1- S
На поверхности чушки . . В центре чушки ..... 3,97 3,41 3,65 3,68 1,58 1,02 0,02 0,01 0,03 0,02
На поверхности валка . . В центре валка 3,07 3,41 1,63 2, 04 0,42 0,43 1,88 0,44 0.05 0,08
214
Свойства чугуна
б) Влияние конструкции отливки. Поскольку
линиииия в значительной мрРе зависит от скорости охлаждения,
конструкция отливки оказывает на нес- заметное влияние. Чем
fcpvHiHT! отливка чем больше сс приведенная толщина, тем мед-
ленное происходит охлаждение, тем больше развита зональная
ликвация и тем меньше — дендритная. Так, ншишмер. в 20- и
3(1-ЛМ1 контрольных чугунных брусках не найдено было ника-
кой зональной ликвации серы, но она была ясно обнаружена
в бруске диаметром 40 мм-
При сочетании тонких и толстых частей в отливке ликваты
концентрируются в толстых частях, охлаждающихся медленее.
Поэтому, с точки зрения борьоы с ликвациеи и ее вредчым
влиянием, целесообразно конструировать чугунные отливки по
принципу равномерного затвердевания, если они заливаются
без верхних прибылей. В противном случае более целесообраз-
ной окажется конструкция отливки по принципу направленного
вверх затвердевания. В этом случае ликваты постепенно вытес-
няются или поднимаются в наиболее толстые части отливки
и, наконец, в верхнюю прибыль.
в) Влияние технологии формовки и заливки.
Влияние технологии формовки и заливки принципиально анало-
гично влиянию конструкции отливки. I се мероприятия, способ-
ствующие медленному охлаждению и созданию направленного
затвердевания, благоприятствуют развитию зональной ликвации.
При этом нормальная зональная лшщапия развивается в зна-
чительной мере при применении песочных форм. Обратная лик-
вация, как было указано выше, наблюдается в большей степе-
ни пои кокильном литье.
Следует отметить, что зализка сверху способствует ликваци-
онным явлениям в большей -мере, чем заливка сифоном, как
это, например, видно из следующих данных по ликвации серы
в 40-,чл1 чугунном бруске:
Заливка Заливка
сверху сифоном
S внпзе, %................. 0,10 0,12
S пнерху. %................ 0,14 0,12
По той же причине зовнлыюи ликвации способствуют высо-
кая температура н большая скорость заливки. Наоборот, при-
мгШ-'.ше хи.нпднлiiiiи[<ог> ДДД выравнивания скорости охлажле-
дсиид и с(1здашш оДког.ргменш-ИЮ затвердевлпшт уменьшают
ракши не зонн.ч!/,шй Л1ШНШ1Ш1. Го всех случаях направленного
ИТ('ШТД<'Ш1!пШ нсиешюбршшо HpHTfCHCHKC’ Прибылей на верхних
частях отлщиш для восприятия лнвва гов. J у >«е роль, ио
в меньшей степеин. играют припуски на механическую обра-
ботку.
Механические свойства чугуна
215
ГЛАВА IV
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧУГУ1 ГА
Механические егющтщ) щщщотся в большинстве случаев оп-
ределяющими и|.и! выборе состина чугуна для отливок, и поэто-
му им уделяется большое внимание. В реальных условиях служ-
бы отливки подвергаются разнообразным и сложным напряже-
ниям: растяжению, сжатию, изгибу, срезу, кручению и т, д. При
этом, в зависимости от скорости и постоянства приложения на-
грузки, действующие напряжения могут быть статическими
(кратковременнымн и долговременными) или динамическими,
а также постоянно действующими или знакопеременными. Не-
смотря на такое разнообразие в характере напряжений, они во
всех случаях могут быть сведены к ’нормальным—растяги-
вающим или сжимающим ( ± ;) — и касательным
(т),— которые в реальных условиях обычно сосуществуют.
Образующиеся в результате указанных напряжении деформации
могут быть упруги м и (обратимыми), пластическими
(остаточными) и разрушающими. Соответственно разли-
чают и три группы механических свойств, характеризующих со-
противление металла обрпзопаншо деформации.
Сопротивлене упругим деформациям при норма.линях и касательных на-
Дз
пряжениях f "yiT[j. Тунр) определяется модулями нормальной ---) и
* rfiynp
ч
<асателы(ой Uj---------) упругости *
‘^Тунр
Сопротивление пластическим деформациям, образующимся под действие»
касательных напряжений, характеризуется пределами упругости ( т,;- ), про-
порциональности ) и текуче-ты (о,, :0.2)-
Сопротивление разрушающим деформациям определяется пределами проч-
ности при растяжении (о*1, изгибе is'j). срезе, (с.), кручсни 1Д-’) и т. дА
Разрушающие десрормации могут быть только нормальными растягивающи-
ми (-Щ) или касательными f,~- ). Сжимающие напряжения п деформации в чи-
стом виде (напрадер, при всестороннем сжатии) нс .могут вызвать разрушения
(разрушение при ежагин iiptjiicxo.T.’rr иод ваняннем поперечных растягиваю-
щих иди катательных накрящеиий). Поэтому, как у ста и о пила советская школа
Н. Н. Даннденкёва. следует различать только разрушения от отрыва
и с р е з j.
В первом случае огиетствекнымн являются иерхы.льиые напряжения. Раз-
Рушение (щс-исходит при лго.м но тернам или ио их границам (внутрикристал-
---__ .... /;-
' Упругие константы ешпаны между t'ouiai vpaiiUuiii'i.'M ft -д — f.
A (i
где р — к<нф(1цц1-ит Пуассона.
J Що положен не относится к теслу i. лрынм митср и злам, не оёцаиую-
Щим щечки и|ш разрушении. l[p|i образочании ;ке Ци.-нки предел прочности
характеризует сопротивление идаетнчсеким л с фо Р м аин я и.
210
Свойства 4!./ca,ia
литно или меЖ1<1М!еталлит1ю) и в 6.'ii * * *ibiuiv:i.-: не ел учи с-и носит хрупкий харак-
тер. 5.JJ-.-J ;атаг!!ТТ, что разрушение сопрогюждастси м;:лi,j.-,,,। пластическими ,те-
|!нс.'.ni н ।ист 1лмной затратой энергии. 11 о|.|ч .Л] „олучастся блс-
етя 11! 11 ;. I Kp.ltcr?. JI ЛКШЧ'НИМ В случае ВИСТрпКрН1'ГИ.’1Л[Г1 1|..|:, ри-фущеиия ИЛИ Ж|.
Util'.'.! чруШ'.ЦХ I ра личных г|1ПЗ, 1Й’ KOIOpMM Пр: Ч1СХО.ЧП I ol|,!,|ilb в случае МСЖ
кр;р-i-.i;.'..';i l кгч'11 разрушения- Имеиип Так [Гр[)Ц!"Х'1Дп Г р.1 ц;опце чугуна ст-
ер-.': I: г 11 Iи Грчфцтп. При чтоМ ilpi’.KC.i прочит'] и ' ' | у: ।хяраКтерП.чуе)
СП1 со 11 [И1ТИ ИЛ СI f и с (.ITpi.ltiV
В случае же разрушения or Cpe'ia с.гист,."гвст|ц>[мп ей касательные
напряжения. Такое разрушение происходи г только по se-pnaii, [ion этом по-
лу чт. с-1 с я вязкий излом. сопровождают пися большой arnpaioii упсогии и зна-
чительными пластическими деформациям!] — относительным Удлинением
(о) и относительным сужением (Ф). В этом случае наяряжения'ери разру-
шении характеризуют уже сопротивление срезу (Гс, }.
В зависимости от природы и структуры материала, а Также от условий
напряженного состояния сопротивление отрыву (Sir р) и сопротивление срезу
(/,-р) могут шрччитслыю изменяться по величине. Разрушение материала про-
исходит тогда, когда соответствующие напряжения (тэт} достигают предель-
ных значений ( ~ь и ~ь )>, что может быть в двух случаях:
«й = -S'otp в то время как д< /ср (хрупкое разрушение). (97)
хь = 4р, 71 то время как т<50Тр (вязкое разрушение). (98)
С увеличением нагрузки растут оба вида напряжений ( я. - ), однако, в
различной степени в зпипенгаст-гп от напряженного еистониня. Соотношение
между максимальными зкачекцями этих напряжений) (характеризует
«жесткость» приложении нагрузки;!. В заппсимости от углоппй. меняю тся
также значения соирогпилеиия отрыну и срезу. Поэтому характер разруше-
ния заиисчт от того, какое ни равснстг. (‘17) или (’.IS) будет раньше Достиг-
нуто. Так, например, понижение температуры или увеличение скорости при-
ложения нагрузки и|Н1 солят к уменьшен иго сопротизаения отрыву, вследствг..
чего может наступить хрупкое разрушение. G другой стороны, наличие надре-
зов создает об'ьемио-напряжешюе состояние, уменьшает разность главных
нормальных напряжений (Апке и 5м11и ) а слеловчтельно, и величину макси-
мальных касательных напряжений (т.1ЯКС);
Таким образом, надрезы препятствуют развитию касательных напряжений,
увеличивают «Жесткость» приложения нагрузки п исключают возможность
достижения равенства (98). вследствие чего в этом Случае происходит хруп-
кое разрушение путем отрыва (97). Поэтому для определения склонности
к хрупкому разрушению вязких материалов (сталь, ковкий чугун) пользуются
обычно динамическими испытаниями (пл ударную вязкость — образцов
с надрезами при достаточно низких температурах. Хрупкое разрушение мо-
жет наступить при этом не только вследствие падения значения сопротивле-
ния отрыву, но и вследетчиг уменьшения величины касательных напряжений
1 Винду малых значений пластических деформаций в чугуне истинны,
напряжении могут был, заменены утлонпыми-
Примером очень Жесткого нагружения может служить трехосное растя-
истине ci; । .т I г <' ы 11 г н г ц-r । образца. гстгЛ । ix.'icd 1 ельиые напряжения очень малы
Наоборот, при сжатии под гидростатическим давлением или при нспытапш
по йрииелю нормальные напряжения малы по отношению к касательным
способ па гружения и-влиется очень мягким.
Механические свойства ч1/г<./на
217
1. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ЧУГУНА
Хар и кгср 11 i>ii' oO'Cniion и мехшшческпх сг-оРстп чугуна обу-
словлены наличием с нем грифита, выделения которого действу-
ют, как внутренние' надрезы. По этой причине серый чугун
с пластинчатым графитом характеризуется сравнительно низкой
прочностью п особеа но низкой пластичностью. Вместе с тем
наличие графита (внутренних надрезов) придает чугуну ряд
ценных качеств, обусловливающих преимущества его как кон-
струкционного материала (низкая чувствительность к внешним
надрезам, высокая циклическая вязкость и высокая конструктив-
ная прочность).
а) Д и а г р а м м N деформаций И механического
состояния чугуна. Диаграммы деформаций серого и ков-
кого чугунов при разных способах нагружения (по литератур-
ным данным и данным автора) представлены на рис, 129 и 130.
Рис. 129. Кривые деформаций серого чугуна с пластинчатым графитом:
а — С. к'.ЗЫо (фр, 0ЫЗ% St. ().su?4 Mti;
« 27Д кг/мм\ — 53,9 KSfMM-, f = 12 мм:
iJ — 2,51% С, LG3% Cr 'J.7&%Si+ 0,37% Mp’,
a — -17.8 л'.ч.И/И'1, -ти -* 73Л (гр/.и.**. / «• МЛ .i-л
J> b
Из этих диаграмм видно что пластические.) свойства ковкого
чугуна много выше, нем серого чугуна, и что жесткость иичдо-
^ения нагрузки повышается, а пластические свойства уменьша-
ются при переходе от сжатия к кручению, а от кручения к из-
Свойства чугуна
гибу и растяжению. При этом ксжкий чугун во всех случаях ха-
рактеризуется высокой пластичностью. Серый чугун с пластин-
чатым графитом обнаруживает заметные пластические дефор-
мации только при мягких способах нагружения, например при
Рас. 130, Кривые деформаций ковкого чугуна
сжатии (осадка 20—40%). При жестких же способах нагруже-
ния (растяжение) максимальные пластические деформации при
разрушения серого чугуна не превышают 1.0% п составляют от
5 до 50% от общих деформаций. Поэтому для суждения о пла-
стических свойствах серого чугуна е пластинчатым графитом
пользуются обычно испытанием на изгиб с определением стре-
лы прогиба (7).
Однако стрела прогиба представляет собой общую, а не пластическую
(остаточную! деформацию, и ио ней, следовательно, нельзя судить о пластнч
нести материала.
Действительно:
/ = /упр + fun- (.‘ОН)
где: /—Стрела прогиба;
/упр—упругая часть прогиба;
f ил — пластическая часть прогиба.
Как известно из курса «Сопротивление материалоз*. напряжение ( 1 и
упругий прогиб (Нир) при изгибе круглого бруска составляют:
Zyt.p- СОТ,
;де Р—:ц-пе т пу io in а п по с ер г.nine бруска iiarpyaxa;
/-- pCTCTCTniiie мсткду i ;it:ами;
D ;i и. । м i ‘T11 б ;> у г ict ;
I. li — '.CT.viritiiii iiiii-pnuH ti '.<uip'CTг.стр'11ня бруска:
S', ыст'.у.чь y'lipvTCTT'H Ma-.i-piCT.'ri.
(ст||(:гт.'1СТ1’П| формулы (l(.)J) ;I (ИГР), пл/ыем:
Г- is'ir г У
48ZJ ’ ’ / <103)
Механические свойства чугуна 219
Подставляя полученное значение для f у11Р в формулу (100). получим:
I / = Й^7 + /1|Л- <ю,>
Ж Низкие пластичссмн- сиоГгсгна серого чугуна являются при-
чиной того, что предел текучести его при растяжении
S' обычно не определяется, а иногда даже не может быть опредс-
I лен ( е„л < 0,2% ). Поэтому в качестве расчетной характери-
’л стики прочности для обычного серого чугуна служит предел
г прочности при растяжении Вместе с тем при мягких
Рис. 131. Обобщенная диаграмма механического
состояния чугуна
способах нагружения пластические деформации серого чугуна
весьма значительны.
Пользуясь способом Я. Б, Фридмана, можно построить обобщенную диа-
грамму чугуна на основе результатов его механических испытаний
(рис. 131} i.
Диаграмма состоит из двух частей. Правая часть представляет обобщен-
ную кривую течения, построенную ил основе общей теории прочности.
Как известно из курса «Сопротивленце кгатериа.тов», в настоящее время
существуют четыре основные теории прочности (наибольших нормальных
Напряжений, наибольших нормальных деформаций, наибольших касательных
Напряжений ц наибольшей потенциал иной энергии упругого состояния),
По-разному otipC'ie.'iHiomste е<нхгчош'.'1!1‘е между касательными и нормальными
^формациями ц напряжениями. Н. Н. Давипенков, Я. Б. Фридман,
И. А. Одинг и др., однако, иска.шли, что если учитывать гтощще’шые силы
н Деформации u riравилию применить формулы TetjpiKi упругости в области
властичсскпх леФ(>;)МП1[цГ|. то 1 а И Teopiiii, е одной стороны, и ill а IV,—
с Другой, ста по ня гея ц;цчп ичными. Они иоке.ищц также, что можно пользо-
ваться 11 теорией прочности для отрыпи и 111 теорией дли среза, что при-
водит к формулам ц (П)<1):
И J '’'’М?1'1 Дплжна быть построена i; значениях истинных напряжений
/^Формаций, но в данном слуяце цследсавне малых п ла стичес к их л.сфг’Р
ЦИй чугуна приняты условные хариктервстикн й, 7).
220 Свойства чугуна
7 = 2В = /(гчакс), О1'1-
KpiilUiH TV4.-1[||>[ может быть <ioCT|wk,i при мягком стробе n;>ГРv*сI'.n;.
li^ipiwii. испытании -i;i .'MoiTPie (риг. ( И). .4<т.>>! Tli ||, дшнциммы
H'PH.iV'.'-, iXict'TivK.'T).» Г.ИОГ-.Л.1 varpyAeinoi и Л-'-Ш г. ю, Л1| i-,,i тих =4.uu—-м.н-
Каждому способу на гр утерпи ссютостстиуег па этой диаграмме спои
-VJlir.
луч с о предел вины и отношением л ~ _ > а именно
г ''МИНС
1) рзсти>кенисг—~ьтакс ='2 зч!1КСр (1G7 j
2) кручение-=Mf!I(c = 0,8тма1.с, (Ю8>
3) сжатие 'мане “ 5 тманс- (^00)
Так как разрушение чугуна при растяжении происходит путем отрыва по
выделениям графита, то Smu - В соответствии с результатами испытания
। =30 кг/ш12) на рис. 131 цроиедена граничная (вертикальная) прямая
30Т[) = 30 кг/лгм-. Сопротивление же срезу (t ср } определено по результа-
там испытания на сжатие (ъ, = Ю0 кг/мм1). В соответствии с формулой (106):
Гср =. 0,5 -j_f, =- 5р «г/.инЛ
Из рис. 131 наглядно видно, что при растяжении чугуна нормяльнис
напряжения достигают .значения Sotp до того момента, как ра-звньнютги
касательные напряжения, п разрушение происходит путем отрыва с ничтож-
ной пластической деформацией.
Точно так. же и при кручении разрушение nprpi,'ходит путем отрыва,
однако пластнАэтеие. деформации чрп :тол.ч бздыкс, При ежр-
Пи! перпымп достигают своих щи-дед иных значений (Гр) уже кас'атед|>п>4с
напряжения, п разрушение, происходит пептому от среза с. болыпихи оста-
точными Деформациями. В то же время нормальные напряжения еще иг
достигают прц этом своего предела (к).
Поэтому поведение чугуна должно характеризоваться по
крайней мере двумя видами испытаний: 1) на растяжение для
оценки сопротивления отрыву и 2) на сжатие для определения
сопротивления срезу. К этому можно еще добавить испытание
на твердость по Бринелю, характеризующее пластические де-
формации чугуна в периоде до разрушения.
б) Недостатки и преимущества чугуна как
конструкционного материала. Разрушение путем от-
рыва при жестких способах нагружения (растяжение, изгиб,
кручение) является причиной низких показателе!? пластичности
и вязкости серого чугуна с пластинчатым графитом и того не-
доверия, которое ему оказывали поэтому до последнего време-
ни конструкторы-
Между тем, в ряде ответственных случаев чугун вполне
оправдал себя в современном маигпгюстроенни и даже заменил
сталь в некоторых конструкциях. Это объясняется тем, что во
многих случаях статические характеристики пластичности (?*, ф)
не имеют столь большого значения, как это предполагали рань-
ше, так как величина допустимых пластических деформации
Механические свойства чиы/на
221
обычно незначительна (~0,2%). Кроме того, следует иметь
в виду, что разрушение отлш-юк часто происходит под дспетппем
знакопеременных щнрузок (усталости) без образования
заметных остаточных деформации. В этих условиях чугун, ха-
рактеризующийся ны<юм.>й прочностью н малой пластичностью.
может быть псно-'н,ди-
ван с большим успе-
хом, тем более, что он
отличается (в противо-
положность стали) низ-
кой чувствитель-
ностью к надре-
зам ( ^ ), подчас
близкой к нулю.
Действие
деляется его . .,
углом (а) и остротой ( р ),
как это видно из рис
132.
Вследствие концентра-
ции напряжений, у над-
резов образуются пики на-
пряжений в тем большей степени, чем
надрезе и tliopMc эллипс,ч с осями а и
реза ( мине) может быть определено в
vep);
надреза онрс-
глубиной (t).
острее надрез. Так, i-ninptiMCP, при
Л мюеималыюе tiзаряжение У над-
3;>я;и'11М(>сГи от Среднего
ШН (р и же ни я
®ма«с — лср
(НО)
Таким образом, при круглом отверстии (в — t>):
5манс = 3 :ср (111)
в соответствующий коэфициент концентрации напряжений:
Bft= 2^1 = 3. (111а)
^ср
Теория упругости лает возможность рассчитать величину с:- для разных
«адрезон (отверстий, галтелей п т. д.). Однако коэфициент действия надреза
характеристики i'Орыщсв без надреза к
ри = —........................................| . выражающий соответствую-
ха ра кт е рис гик а иорадца е нал ризом /
Шее изменение свойств металла в присутствии нрдрезоз, оиоеде.ляется не
только значением «*-, по ц нриролой материала, /l.ei'l-Tbiic надреза оказы-
вается лначителыю меы-ше, чем об этом можно сулит;, пг> р,'к''1етно.чу коэ-
Фициенту концентрации паирижепип для идеального vtipvtoro материала,
а именно:
Щ-
1,чкнм образом, каж'дын материя.'! оП.т;г;а>'Т онрг,'Селенной чурсгвндель’
«остью к надрезам:
222
Свойства чугуна
Ута цел|[Ч|[На ( тн ) тем больше, чем больше значение коэфипиент;,
дешшнш налщ'за (f$ '- ) 11 ПД^йльном случае, к которому чугун вещ.м.-,
б.г! Они Йе ’ I.S |[р МенШОТСИ 11 11 рчсутст Hu II twi ,TP'\u >. <j .. ] .0 !| ’.А - • Н)
В.ЪН'ОДЩШ ЭТОМ}' Присутствующие В ..'1Н-Гц>Г| чугунной O'i'.rHiii-
ко и;.1л[ч'л।л (отверстия, угды, резкие [[ерехолн, гviковш:г>т, поры
1!< ет;!,'!..'!>[11ееkiiс включения и г. /в) в очерк милой степени но-
ищв.тют ее реальную К01ютрукТ|1В'яую [iptrnioc'i к, р, то время кин
в такой /не отливке из стали эти надрезы значительно понщщв
ют се свойства, в особенности пластичность ('о б) и усталост-
ную прочность uprj растяжении—сжатш; (aj, изгибе
и кручении ( щ.,),
Ммогочие-лепные исследования показывают, что во всех слу-
чаях чувствительность чугуна к надрезам, хотя и увеличивает-
ся с прочностью, но всегда меньше, чем у стали (табл. 13).
Таблица ]
Срчвннтельная чувствительность н натрмам чугуна и стели
М ат (. pl! пл к,'1м Предел угта;нктн np.j изгибе К' •Эф||[1И*;: г )|гнст-!||>: кадрезз __ 'c's(
без 1Н1дрсза ’'•ГС (,. /М,1Г' С ihi;i 1г‘ a t l.'.d-1
Чугунное литье . . - , 21 9 0 1,0
Центробежное чу генное 27 11,5 11,5 1,0
литье , 45 18 16 1.1
Стальное литье .... 44 23 15,5 1,5
Эта особенность чугуна объясняется наличием большого ко
личества внутренних надрезов (графита) и высокой цикличе-
ской вязкостью (у ), снижающей пики напряжений.
Ц и кл г ч ег к л я вязкость характеризуется энергией, которая рассеивается (пе-
реводится в тепло) при переменных нагрузках в упругом интервале. Онг
определяется либо как отношение поглощенной части энергии ко всей упру-
гой энергии никла. Либо как логарифмический декремент (логарифм отноше-
ния амплитуд двух последовательных колебаний), характеризующий скорость
затухании колебаний
Важность этаго свонстна пилил нз того, что ьо многих случаях материал
с м и 11 ь в г: I м пределом пышности, пс> с большей 111 к л i нее кой р я irocti . и> нк.г
аыи Iе 1тн более уегийчиным. чим материал с ;;i.leaк11м пределом нрочиос:i.
И чиЧол! и Иг.л п:1<ч,ы)|1 i < я л i-: । 11 и > ?»и> лб ши няе-си тем, иго в м ,г герц .л i
с г. ой 1,1,1,:i I) чесш )й ГЫ :Щ1Г:ЛЛО ШШиЖаЮГСП 11ИК11 Н;-И1[1)| ГкснпГ,. lllbl'iH'.
меныис ов.тежн th iinn.i,t;iци-I а иет<и।а;।с с колебаниями узла i;,in pecii кон-
струкции. ню легко иризодпт к рачрушеппю.
I Вели ни. а пнкличсской шшостп может быть определена При любою
нагруженном состониии (члще всего —при кручении).
Механические свойства, чуеуна 22с
Как видно nt литературных данных (рис. 133), чугун обла-
т дает более высоко в н । ы<л ыч ос ю j ii вязкостно, чем сталь, и, следо-
вательно, является хороним кон<’Т])укшюнг.|Ым материалом.
Эти :i;i чу!УН,Ч til I рТ’ДСЛЯЮТ болеО ВЫСОКУЮ проч-
ность чугунных отд,।вок, чем об :-лом можно судить но результа-
Рис. 133. Влияние графита на
циклическую вязкость чугуна
там испытаний гладких образцов. Например, стальной колен-
чатый вал с пределом прочности 100 кг/см3 имеет конструктив-
ную усталостную прочность только 7 кг/мм-.
Таким образом, большая чувствительность к надрезам делает
иногда бесцельным применение высококачественных материа-
лов. и сталь в этих условиях может быть с успехом заменена
чугуном:
C'ra.'ii, ппам-
Прец-Л Прочности С;,
кг/.ии’.................... 1,рц
Предел угпыисгн вяля
вря кручении т пг/мм3 8
(*ТЛЛ|. 11J и/ J л'ИНf( Е (11 и. к 11 н чу'>'(1 Coyi.rfi Чу j yu
8-1 40 У-
8 6 ( ь
224
Свойства чугуна
Точно тик же при малых миогокрнтпых ударах* 1, как
и при рабоп? на сжатие и на npojd.'iwihin и и'иб, чугун можи-!
шжюсливсе стали. В других напряженных состояниях.
;; <к'обс!Пгост;। при ударных нагрузках, чурн вследствие iiiithoTi
ударной вязкости2, конечно, уступает стали. Таким образом, чу-
с\ч1 должен быть широко использован как конструкционный ма-
териал во всех случаях, когда условия нагрузки этому благо-
приятствуют.
2. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ СТРУКТУРНЫХ
СОСТАВЛЯЮЩИХ
На механические свойства чугуна оказывает влияние струк-
тура металла, определяемая условиями первичной и вторичной
кристаллизации. Количество, форма и расположение графита
и структура основной массы чугуна являются при этом опреде-
ляющими факторами. Элементарные свойства основных струк-
турных составляющих чугуна весьма разнообразны (табл. 14).
Механические свойства чугуна не подчиняются правилу сме-
шения и ни в коем случае ко могут быть рассчитаны по этому
принципу. 1 [апрпмер, в перлитном чугуне имеется около 93%
(.спешной металлической массы (перлита) и около 7% графита
по объему. Таким образом, сечение основной массы чугуна ос-
лаблено в этом случае на 7%. Пренебрегая1 свойствами графита,
следовало бы ожидать для такого чугуна по правилу смешения
(ио данным табл. 14);
с*, кг/мзГ-
70-0,93 = 65
а °/
'л /о
15'0,93 = 1 1
Н& кг/мм2
20)-0,93= 185.
На самом деле прочность и в особенности пластичность
перлитного чугуна значительно ниже рассчитанных (^ ~
---25 кг/дш2, 5 0,5%), так как графит не только уменьшает
живое сечение основной металлической массы, но действует при
1 Сопротивление многократным уларам (iVk) измеряется опытно энергией
Iran числом удзрогз бабы (весом от 2 до 12 кг), необходимых для разруше-
ния надрезанного образна (диаметром 1и лнк клн сечением 40 X 40 адн’| при
определенной постоянной пли спз ад стаю шей высоте падения бабы с адатнет-
ст и у io ниш поворотом обр.т-ща на 1SU-1 или ни другой угол после наждого
уда на.
- Испытание па yxapiiyi'T и я .ш с,с г Iп < коб е 111 шетт | ни (абразпах с ii.inpc
.i.'i'.ni, имеет цепню ojipcjic.i'.'iiiie садопппс!и металла к хрупкому ра.1 рупieii;ii<>
1 li1 лом v она цепко !tpiiM.:[i:ici\'.i д,.'ы ооычного серого нугу и a, II случае ям
iipiiMeiii i.iiii надобного nrj[[,[ini:i:;i ъюго ионизуются образном без на.-пины
(се ч с 1:111' м 2(1 (!0 мп или днаме Гром 30 ,и,н), Коркин чугун, и также серый
чугун < г.1обу,'ГгЦ.п1ым графитом, лают вязкое разрушение п для хаадктери
стики е к.в1111: 'Нет 11 их к хрупкому излому применяют уже, как правило,
обычные образцы с К'ЗДрезамн.
Механические свойства чугуна
Т <1 б л II и. а 14
Механические сиенита оснонных структурных составляющих
' три и чугуна
1 i и д мГ1111 'Хи .д' 1'1 с 1 .11,1 1 |т < 1 1 \ l(ril|i.l. it . | 1 i •••.II -'1 1| |1"Ч - -• ! топ, У..и птенце t & % TiHPd'i II. "z: К, .г’ r' ( C| Mi > Ф il r>l П «."j I i- r.i11i.l Г;
Фергиг (при 2';,| b; - - 40 то 95 0-4>
Пеп.тг . . . . ?н 15 200 (!—U3
Сото>i17 . . . . 85 К) 25i) 0-‘J3
Це.меЧи!г . 2 —. 550 0—50
ФОСфиргИЗ.НЫ эьто; — 4(i() ti—7
Граф-г . . ! - — 1 i—10
1 Твердость кр> икокрЕеталличсского графита обод.чо с,чууъ мала
(по шкале Мооса р»ы:а единице). При мсалкскристач.лашшкс'м строении
едг.пги блокируются, н ТР-срдоеть, а также проинос.га графита иоьышаются.
В этом случае графит обладает даже некоторой пластичностью и может
прокатываться с обжатием в 10%.
этом, как надрез. Поэтому известную формулу «чугун _-сталь -}-
+ графит» следует расценивать только как указание па то, что
для понимания природы чугуиз. необходимо раздельное рисе'.одг-
решш влняаия основной металлнисскоii массы ц выделен11il гра-
фита. Эю тем белее необходимо, что ([юрмариванис указанных
основных- структурных с<1Сг;шляю[1шх чугуна происходит и раз-
ных температурных интервалах.
а) Влип н н е ослоп н о ii м с т а л л и ч е с к о ii м а се. ы ч у-
г у iiа. Структура основной металлической массы определяется
8 некоторой мерс улус в процессе первичной кристаллнзании.
В связи с этим механические свойства чугуна, по ряду литера-
турных данных, зависят от величины литейного зерна (ряс. 134).
Чем мельче литейное зерно (чем больше его номер), тем выше
прочность чугуна. Однако следует иметь в виду, что величина
этого зерна оказывает влияние и на величину выделений графи-
та и на процесс вторичной кристаллизации, от которых, в свою
очередь, зависит прочность чугуна.
Как видно из многих исследований (рис. 135), наиболее
прочным является перлитный чугун. Как уменьшение, так и уве-
личение количества связанного углерода против 0,7—0,9% (по-
явление в стр у муре феррита или карбидов) ведет к гюнниодшю
механических свинств чугуна. 11оследнпе модяючея. при этом
'’пол не аналогично мех a i ш ч ее ни м свойствам стали.
К снел1шен1н”и с(>;ie। чканпя углерода и, стали и связанного
УГЛер<1Д;| г. п j epi [С ПОД: и Д'ыог; и (3,, , 3 ';, , г /f)n
‘•йердпетн новышину!ся, а пластические содйг|на и вязкое 11> (>>
% ><j у огили и а,: у чугуна) ноишкикгп'Я- Однако содер/гппше
связанного углерода, определяя в известной мере количество
ПеРлцта в чугуне, не дает представлении о стигепн сто диферсп-
15 Зак. 80а
Свойства чугуна
lUi-iiv'ri it карбидов, которые' заметно влияют на твердость.
1' MeXiUHiHeCbiK1 свойства чугуна:
с If i I. | Г[и, t.-C I:i:i..|!i .Гг .М g'l II-I-'I M'lf ' <1Ч ['I I Р'
j-xiji: Ai.ii f ij 4vivua мерли им\,
ti'/p w:ii. ilnr • iG3
Ирсдсд и [ >< > <i ।) c ,c т 11 Bl’f'
I'Tci-.DKeHnii с,.,, кг/ян'1 - £,J
V дп [i)i.iя и:и'лч no Mo
u.j,ks a1:. Kl.ujcM3 -
' а.iijjeji. _п и ।-ri'i i |i 4 | ii
UYtVlJ-l </!' I I? 4 :i:: ы
i| 1 [нгфити
... , . T(W- AUi'K'n-
'i-'i'1"1’-1 <,•.', -.-.•.isi титан чинил
:M7 :?;,a ;;i5 -ВД
21 ”4 38 15
0.27 0,20 0|l(
Покушение сопротив-
ления происходит npi
этом благодаря блокиро
ванию плоскостей сколь-
жения и увеличению про
тажснпостп границ меж-
ду тернами. Днфсрепцца
пня же перлита, а такж-
его сфероидизация, на
оборот, понижают проч
несть, по в то же прем-,
несжольио увеличивав-!
хе.р a a rc'p!icTii;<fi пластин
нести (/') ц вязкости («г1. j
чугуна.
Ж* 2. я r;;:| Ц,-. vp ;| c [ЮПЦпП M i.Taa.IIl-
icceuii mix.-cli (l’1 * it:ia!:i|i:1;i ciin.i-aaaru yiaciiona |
il.-f Ж.01 IIICIi ч.Т I;и CT-.!JiU
I!..'.'.еш.'г- илияипя <-)('i'or.iion >1ети.'1.’!-и'|<.'ск:ц'| млесу лучше в>':
а р: им.i.::i и при тер\|;:'шс1<(ш «мД у и ti кс чугуна, так как ioi!'-
jITi-.! И ( :'.'l |! иаа >’.1 ОС <1 I' ii I '! I 'ГВ 11; I М '. 1: 0 ] j i 17V ф<) ру, в ц Щ-.;, !(ЧТ.!Ы 'Ь.'-
д.'.'о(';i,г графа'1:1. I IceoAyioio'aaa автора (рис. 136). a T.'ii-./i'C.'iiii'--
р а гс’и ।: -а.' л.а ч [ । ью (ч'аб.:|. la), П(ж.'!?[,[г.цн<1Т, что ?<i> ;r । :•:’i :с| >с ч г, г
Механические свойства 4t/C!/ua
221
структуры, получеп:t!,iе путем закалки, облагают высокими по-
казателями п[)01шосчт. по низкими пластическими деформациями
п ударней"! вязкоеты,). Перлитная структура (отпуск около n()U°)
характеризуется теп меньшей прочностью, чем болы нс диферсп-
Рас, IЖ. JintniiHie термической <>йр:Ю<!Т;-;н и характера
основной массы серого iivrvcut ни его ущотие и гемстп-
ческие свойства
цирован перлит. При этом увеличиваются абсолютная и отно-
сительная величины пластических деформаций, стрела прогиба
и, обычно, ударная вязкость. Ферритная же структура основной
массы чугуна обладает более низкими показателями прочности,
но в то же время более высокими пластическими свойствамн.
При этом модуль упругости почти не изменяется при дифе-
ренциациии распаде перлита п, таким образом, в малой степени
зависит от строения основной массы чугуна.
Эти закономерности подтверждаются и на ковком чугуне.
Исследования показывают (рис, 137), что характеристики
прочности (^, д,) тонкого чугуна повышаются- с. увеличением
содержания связииного углерода, что сопровождается, конечно.
соотпетчт1'.уюпшм повышением твердое'! и. 1 [ллстнчеш-ше же свой-
ства (а) ковкого r;yi-уц,-| при этом ।[<>1111жкл'сш В том же на-
............ нлмепж'тся и уд.ирнпя ны шка,.
1 Mapo.oiciiTaxq стаумтср.’г х ;.i о; i е; тс о г । о с ж'- t оДиш inour’i"! 11жo>।<ч'.т!.i-
вследстиац гызац-снши.ы иии гок.ыкс Oc.-i:. i: I -1 x и м i: > i> :< r: i;; i ii. II и ::и'!т..-м:|с|ра
ТУРНЬЩ OTI1VCK JJC'.-MO IKJUI.IHJUCI' iipo-i цсе'гь т.ц-жго ijvrvHa,
15*
228
Свойства иц-цна
Таблица 15
Влияние нолиисстиа графита н структуры массы чугуна
ня епт мс ха Ни 'ICCK и е iu<>iicTii;i
Ферритная с т р у к т у р а
3 27i 1,42'3,05
'2 44 j 2,44 2,35
7. 9Г2.Ю 1,78
6, 60 3,32il,42
<91 17,2
132; 26, G
154, 29,1
182 21,4
35,4 7,0, 15,7i 124|4<;50 Ц.0 ;0,950,55
47,G 6,9 I'M 127::да 13,5 10,90'6 5)
4G,2 4,0; 20,3', 38.5950 15,] (),79O>
41,3 3,3 | 20,9| 7j0050i 17,9 |0,60о,40
20
12
17
7
Перлитная структура
3,291, ,r3 i", 2 71 156]
2, <6 2 ,( 4Й ,< 3 11G
2, 0 I) < j -(;
1,10.7,,rt 0,77 2(5
I i
19 j t.f1.5
40, G 1 (7Д1;
3),G 49,7
2C,7 -9,0
3,(3i 23,7
.54'5120
3715960
20'65(40
S^SOO
15,5i 0,99'0,56
21,1 0.87 0,4b
21,9 0,78 0,45
23,0 0,73 0,46
14
8.5
6,5
4,5
Параллельно с нош.![ценном ст.тти ческой прочности, при уие-
Л1 гЧсНИ и ко.л ii'icci b;i п ,р;ымел нчсш г и перлита, иаблюдается по-
вышсиие пределов уеэт’дюг.тп (рнс. 135 ц табл. 15). Циклическая
Пне. 137. Вл |[>т и ,ie о
аг[>;-:;.'.ина cirTiaiS'i у.т.)
л ,'1г;;о,т;( ил мсх.ша и
скис сцчГг'Тиа KouKui о
ч v'i ее11
же шыкость при этом понижается. Они
повышается обычно с. неоднородностью
структуры п поэтому достигает максиму-
ма при содержании около 50% перлита
(0 33— о.40% С,.в).
б) Общая характеристика
влияния графита. Графит являет-
ся отличительной и характерной струк-
турной составляющей чугуна, определяю-
щей его специфические свойства: 1) умень-
шение модуля упругости, 2) понижение
пределов упругости и пропорционально-
сти «следствие раннего образования оста-
точгых деформаций 1, 3) понижение пла-
стических. снойстп, 4) уменьшение харак-
теристик и[>(>'1 ностп, 5) повышенно цш<-
ли'ич’кчй и'-;.; I, г л: г и п 6) по’шжеине чуи
ети1Гн:.'и.ш1С1 и к надрезам.
.'l<’iier[Hie графита на механические
» Пни |K)!5tophijx liai'ji\'М<их налечпческле лсформадп\1 tipi! м;нш наг’-чч-
ЖСНЦЯХ fiiL'lMHC lit1 0Opajyi(j7CH н .iiieMtlEllii пределов упругости и ЕI р cm op Ц1И >
иплыюетц погашаются.
Mexaw'iecetie свойства чугуна
229
свойства чугугш оказывается двояким: с одной стороны, он
уменьшает .'-кодил' ссчснно оешншеф мет иллнчес кой массы чугуна
(с у ж ;< ю in с о д с й с т и и с т р а ф и т а), вследствие чего истин-
ное н;ни>7[ЖеIиiе ia i.'itiacTca. С Другой стороны, он образует
надрезы, что iip111ч a;, г к нерштомерному распределению напря-
жений и < одномн:।. 1;।кряидч11 и>му ео(.'Ти',1 нию (действие гра-
ф и т а к а к к я д р с а а),
Действие графита определяется ото количеством, размерами
выделений, их формой! и расположением. Наиболее благоприят-
ными но форме, с точки зрения влияния на механические свой-
ства чугуна, являются равномерно распределенные округленные
выделения (глобулярный графит). Наиболее же отрицательное
влияние оказывают выделения графита пластинчатой или меж-
.дендритной формы, образующие сетку.
в) Влияние графита и а упругие свойства. Обра-
зование искусственных надрезов в стальных образцах приводит
к характерному понижению модуля упругости и к появлению
ранних пластических деформаций. Это влияние, как показыва-
ют исследования, сказывается тем сильнее, чем крупнее надрезы
(рис. 138). Аналогично о том у действует графит, понижая модуль
KJ Й’е’ y.'v
6
f
Рис. 138 rJe-iilfireiнм чозу.ш унрушетн и panib'C обризоышпе пластических
.TO':|j(j;'i ю III под. пл I! я I! И С ’! i I. .'1 ;> с чи;::
• — гс.т<,Д| c-rrir+e п б р ,1 v 1 г:: । г. i л пх-и-рстнР к ci рл-лы.у с брр :г.| ax; rt — rx’.'i^ACiNse и ц л i j ч 11 :-j
урафигя u ctpnw чугуне
ynpyrocni с 21000 ас.'.-’(для стала) До 60(11.)- -17000 КОД!лг'
(для чугуна). Чем больше кольчегпш- графита и чем тх’тргс 'то
ВЫДСлсОДЯ, Тем МГ1Г1Л1Н’ модуль упругости чугучи. Подтоод се-
рый чугун е глобулярным графитом и конкий чугун мродтр.г
зуются |1.,:шб().’1ьш!1ми модулями упругости (1500'0—i 70. '0 од/лыг).
230
Свойства чугуна
Так как вся система связанных друг с другом кристаллов в образце мо-
жет иметь лишь одну среднюю по величине упругую деформацию, то мо-
дуль упругости является функцией только сужающего действия графита
Однако последнее обусловливается не только количеством (площадью сече
чия), но и формой графита. Чем острее и длиннее выделения графита, тем
извилистее и ближе друг к ДРУПГ силовые линии в чугуне (рис, 139), тем
Рис. 139. Распределение силовых линий в пластин-
ках при разных надрезах
больше, следовательно, паразитических участков, не принимающих участия
в общем силовом потоке.
В связи с этим среднее напряжение сср становится больше, соответ-
ственно чему повышается величина упругой деформации (s упр! и умень-
шается значение модуля упругости. Таким образом, на модуль упругости
оказывают влияние как количество, так и форма графита, а именно:
“t /7 ' '
с-чу г
где а—козфициент сужения сечения, обусловленный формой графита;
Т — коэфнциент сужения сечения, обусловленный количеством графита;
£ст— модуль упругости стали с той же основной металлической массой;
Ечуг~ модуль упругости чугуна.
Значение количественного фактора f может быть легко определено пла-
ниметрически или по химическому анализу. Общая площадь графита на
шлифе обычно составляет 8—15%, что вызывает такое же по величине
уменьшение модуля упругости.
Принимая £ ст = 21000 кг/мя’. Е чуг= 6000 —17000 кг/лглЯ и Т -
--- (.08—1,15, можно определить значение коэфнцнепта а из формулы (113):
21000 21000
S= 17000.1,08 ИЛН 6000-1,15 =1-15“3-0'
Механические свойства чугуна
231
Этот козфициент характеризует форму и распределение графита и его
влияние па сужение сечения. Как указывалось выше, наиболее благоприят-
К нымй по форме и расположению являются разрозненные округленные выде-
ления углерода отжига. Поэтому
г. большими упругими константами и
Ч
ковкий чугун характеризуется весьма
соответственно низкими sire нениями а:
37
12
17000
6700
1,15
Cj,, кг/'мм1 30 30 33 35
ь. % 3 6 8 10
Е, кг/мм'1 15000 15500 16000 16600
(J, кг/мм* 6200 6300 6400 6500
в* 1,3 1,25 1,2 1,16
Чем меньше количество и чем округленнее выделения углерода отжига,
тем меньше их сужающее действие и больше упругие константы ковкого
, чугуна (£, G).
у Сужающее действие графита в сером чугуне значительно больше и мо-
£ ;дуль упругости соответственно меньше (Е — 6000— 17000 кг/мм2). При этом
’jV Значение его, в особенности при растяжении, понижается с увеличением на-
••Яр ряжения (рис. 129). Чей разрозяениее и мельче выделения графита и выше
1'fiStapKa чугуна, тем больше его модуль нормальной и касательной упругости
дй»?;(табл. 15). При этом значение коэфициента а, обу слезлив а ющего влияние
Ж формы и распределения графита в сером чугуне, определяется в пределах;
Ж «= 1.3-3,6.
Подобно графиту, на модуль упругости влияют выделения
Ш^карбидов, фосфидов и неметаллических включений. Однако бе-
'^уЛЫЙ чугун, несмотря на большое количество карбидов, характе-
: ' ризуется высоким модулем упругости (£=17000 кг/мм2}, так
' как в этом случае карбиды непрерывны и сами воспринимают
• Отгрузку.
г) Влияние графита на пластические свойства
характеристики прочности. Как уже было указано,
(дОф.афит не только уменьшает живое сечение, но, кроме того,
Я^жбразует надрезы и местные перенапряжения в чугуне, вслед-
^Отвие чего создается объемно-напряженное состояние. Поэтому,
i -Ж^огласно формуле (99), графит уменьшает касатель-
ж(Яые напряжения и препятствует образованию
' ьших пластических деформаций. В связи с этим
* *.< Удлиненье серого чугуна с пластинчатым графитом составляет
у ничтожную величину” (до 1%). Ковкий же чугун вследствие
©кругленной формы графита характеризуется удлинением от 2
До 20%. Большое удлинение (до 10% или выше) может иметь
также серый чугун с глобулярным графитом, если его подверг-
' нуть отжигу.
Торможение касательных напряжений приводит к тому, что
\ сопротивление срезу (/fp) обычно не достигается в сером
'^ чугуне, и разрушение происходит путем отрыва вследствие соот-
ветствующего развития' нормальных напряжений (рнс. 131). При
этом наиболее напряженные у надреза кристаллиты дают тре-
щины как только достигается условие (97). Образованная тре-
J Значение а рассчитано, исходя из наличия 2,5% углерода отжига
(7 = 1,08).
Свойства чцгина
iiiiw р ,';п и и р f> ст надрез, н плк н a 11 ря жен 11 3 перемещается к сли-
дунааему кристаллиту. Таким образом, pa :р\щенпе, начавшись
а о i.iiu-M M'.?cic, расщщетр'Лиж'Н’я, но всему с! ।ыиню, всл'едс'пя с
11 рснч'.хн j/uiT разрыв. Il I OToio <л 1(’ж <"i п ;;ц влияние Г рафя i.-:
)';) пржинжн. ayiyda определятIгл как его (у,.|.,-, ющим ZlcifCT'r.(;-
ем, т;н; п особенности СП) ЛС ИСТЫ [(’ u K.'lK I1 ,
Последнее может быть опрел елсто по формуле-.-
^ = ^'Т-, (114)
3 Т :1>
;дс ₽ — коэфпппент действия графита, как надреза:
а~{ — сужающее дсрстняе графита;
з* —предел прочности чугуна;
S отр — сопротивление отрыву стали со структурой, аналогичной основное
массе чугуна.
В итоге пластинчатый графит значительно снижает характе-
ристики статической и усталостной прочности чугуна. Как видно
из табл. 15 и 16, все характеристики прочности—пределы проч-
ности при растяжении рД изгибе (-ф), кручении (^ь}
Т а б л и и а П'
Влияние количества и формы графита на предел причностк чугуна
‘'/ЛИ % С<т, % ‘-.р ii,,. । j11 i !(,. д'.•!.«.U1 rf'> <4АГ /, Л*-1(
~Ь. юс.ил! !'л- /, .мг
3 б!) 0,38 3,3] 13,0 26 7.2 19,2 Г11,4 16 1
3,36 0,36 3.0 30,3 Ш, ’ я.-. ,8 52,2 Й? <
з .27 0,43 2,8-1 2.1.0 33,2 10,2 30,1 W 0 1 } 1
2,7:4 0,48 2,31 33.1 45,1 8,4 43.2 7-1,5 167,8
1 Подучен путем термической обработки. Наличие углерода отжига
о бдя с и не г 6oai-,ciy;o гдл ичш;у прогиба, не свойственную •обычному ссро*1’.-
чугуну.
и знакопеременных нагрузках (5\) —понижаются в тем боль-
шей степени, чем больше количество графита и чем грубее
и острее его выделения.
Важно подчеркнуты что псзыщеипс характеристик статиче-
ской прочности птюисходпт с умспышлшем количества углерода
и с рачке.'шчшшем графi:та то.Ж'Ко ж пшшетнгшо пре,гели
(табл. 15) — лс.> появления н структуре, междендритного графят;)
а ра к [ с i । Д' 111 к: । м у с гл. а l : । i । 11," и ш к; 11 и цп кличесш >й Вяз
[•а д' га не понижав >тся и генле до по,
I 'г.сс?..т,:тр1!.1ши таб.т, (.. -.д л-.।и> итмстить, что отрпиател'ь-
п о (' а ,Т и я и и [' ч с ж д с п д р и tihi го г р а ф ц т j о с о о г и на
Р с а ;< <> с к а о ь: в а от с я и а и о к а д а т с л я х и ,а а с г к я п о-
сти и г.'д'.? к о с г и, 1кледС'ЛИ|е чего с уменьшением содержания
Механические свойства чугуна
углерода ниже 2,5% огрели прогиба, угол закручивания и удар-
ная вязкость hhtchciibho снижаются. Прл этом значит'.-льно
умсныишугся 1'()|1рог1!.”„.-н’Щ!С ударам при мистгокра [ ним
лр।(Лож1-'нmi naipyn.il (.У,. );
т/,, н.с'-1 c'bl кг/jUJr .Л Д/^
Пластинчатый гр-.чрнг
сочи,г,| Жфмл)............ 3j?
Мелденчрн гныл грзфпт
(кокиль)................. 30
05 24 7 50
71 16 20
Серый чугун с глуболярпым графитом, наоборот, характе-
ризуется не только высокой прочностью (3/, =40—80 лт/лди-),
но и пластичностью н вязкостью (а,, до 4 кгм/см^, без надре-
за), но в то >кс время меньшей циклической вязкостью (рис. 133).
Интересно отметить, что с увеличением количества графита
и с укрупнением его выделений несколько понижается также
твердость чугуна (табл. 15)Таким образом, твердость опреде-
ляется не только сопротивлением основной массы чугуна, но
и количеством, формой и распределением в ней графита. Нали-
чие последнего (а также пор) уменьшает сопрогпвленне вдавли-
вашно шарика Ерпнеля, пока не сомкнутся поры п(7Д вд.шшне.м
давлении, иосде чего начинает уже проявляться почти пекл юж;-
ТСЛЬНО СОИрОТИВЛСНЩ' Ш’ПОШЮЙ мат,| чугуна. По-дому Первый
период ИС1П.1ТШН1Я нош|жшт твердость чутуи;.! и шит-т тем боль-
шее .лпги.чше, чем полыни п крупнее ж.!.|.елеi: 1:я графита.
д) Влияние у г л с р о д л и т ж и га и а м е л а в и ч с с к и е
свойства ковкого чугуна. .Влияние количестве, и формы
углерода отжига в ковком чугуне вполне аналогично влиянию
графита в сером чугуне, как это видно на исследований
Г. Н. Троицкого (рис, 140). С уменьшением количества и с раз-
мельчением углерода отжига повышаются характеристики проч-
ности н пластичности ковкого чугуна. Поэтому понижение об-
щего содержания углерода является наиболее важным способом
повышения качества ковкого чутуиа.
Следует отметить, что свойства ковкого чугуна, в особенности
удлинение, зависят главным образом не от степени размельчения
углерода отжига, а от плотности его упаковки и округленности
формы его выделений. Поэтому понижение температуры том-
ления ковкого чугуна педсг, согласно иеследозашцтм Швариа.
к повышенши пдастпчности. несмотря на укрупнении выделений
углерода даоса (табл. 17),
Усталостные- х;:i1 мкчтр11ечч,ш, шитого чугуил также попыша.
ютси с уменьшением шн'шчш'Ч'иа и с. улучшением формы уг.т-
1 1 b'liinia.'iiisf тчеидостн и of! j, а з н а х тЫы. |!> с и m a,i; 1i ci и i с ч сы1.".'ш,ш|ы
Угжшы'.ш (..'TiHic.irncToi т.чк/ке \'ii!i‘iiii(i(('iinc.4 k'o.aiieir'rpainiii iipsi'iii-.i г -
творе.
334
Свойства чугуна
Illi
III.
li
рода отжига, что пидпо из сравнения пределов усталости разных
srapox ковкого чугуна;
Рис. 140 Влияние ноднчеетвя и величины выделений углерода отжига ,ы
механические егюйстча конного чугуна
I
Однако здесь прспмущгстгы углерода отжига перед графи-
том сказываются в мет .и ни"; степени (т,тГ>л. 1й). Это находится
в соответствии с тем, что рпь-чическаи ннзкостг, ковкого чугуна
меньше, чем серого.
е) Л н ;ч .т и ” а в п с и м о сти м а х а н и ч е. с к и х с в о i’i с т в
основной массы чугуна и графита. Некоторые ме-
ханические свойства (прочность, пластичность) зависят как отг
структуры основной металлической массы чугуна, так и от ко-
личества, формы и расположения (разрозненности) графита.
Другие свойства (константы упругости! зависят почти ш'ключи-
Т з 3 л и ц з 17
Зависимость механических свойств низкого чугуна от режима томления и
величины выделений углерода отжига
Режим томлении K<L’jHllCCTBO nN.'[C/l еннй ' углерода нт- ж.цса и 1 .ч.и1 7й> А'Г/л/.и'^ ь, % Л 07 Y, ,а
I |>ите.'1 мн и липины нрн !'5(Ы . . 4()[Ж 36 16.5 11/2
Го и,г, при Жт' жь 36.7 И,!) 0,7
UT.Mir Н1Г<1 '.ГДЫ 13Г> 36 21.7 1!»,-1
Hi-.hiir при ппдк'ригическей темпер.>-
гуре * 30 37.8 21 .3 Д). 3
A!и^гскна LjuuL'ret'i чугунй
Г а б л и и. а. ]8
3aiii'ctiM,)Cib основных механических свойств чугуна от его структурных
составляющих
Основные hKxaim'k^Kiir сиойстиа За и исимость пснгшннх mi i^hih^icckhi chuhi:tu ‘lyiyua:
(JT ЛСПХП1Н0И массы от сужающего действия гра- фита (Hipyiliti- ние сплчшно* сти осноиной НЭССЫ) 1]Т Д1НСТПНЯ графита в si’ чсстне надреза (цграаш’мсрио* распределение напряжений)
Константы упругости Очень ела- СредЕгяя Сильная
Пределы упругости, пропорпиональ- кости и текучести (раннее образо- w ванне пластической деформации) бая Средняи
Характеристики прочности Сильная и ip
Характеристики пластичности М W
Циклическая вязкость и чувстви- тельность к надрезам Слабая w и
Твердость Сильная г»
тельно от количества и формы графита. При тюм графит мо?кет
оказывать ил и ап не благодари синему судка ютом у действию
(нарушение сплоипнютп основной массы и шш.1.пшчше негииного
напряжения), а также благодаря действию в качестве надреза
(неравномерное распределение наирижчшй). Эта заинсимосп,
механических свойств от различных факторов выражается с раз-
но» интенсивностью (табл. 18).
Знание этой зависимости нс Только дает ключ к пониманию
природы чугуна, по позволяет произвольно повышать или пони-
;дать то или иное механическое свойство путем воздействия на
основную металлическую массу или на количество и форму гра-
фита. Так, например, для анализа свойств чугуна можно исполь-
зовать отношение —у .
Из формулы (103) следует, что это отношение пропорцио-
нально модулю упругости при изгибе:
JLl_
Л-'П[*
Исходя из тибл. 18, можно заключить, что указанное отно-
икшнс характеризует почти псключитслтши количество и форму
графита, а не основную массу чугуна. Чем больше это oh'iiohic-
ние, тем более благоприятна форма графита. Так, 1[:.шриМ',рму
гуну с крупным графином соответствует <3,3; с мелким
L
Свойства Чцгцна
графитом— ----- =3,3— 3,5; со етруктурнг/свободнымп карбн-
1;а ?х1 основании в литературе i [ ре > л.; ;М ।; а дка гр я М я ;
I
tp'iir. 1-11) для анализа причин высоких
Рис. |4|. ,’l,!Hi['|>;u!M.i Л.'Ы iiiM iiiei механических
cixuicTii чугуна
МЛН iiTOMIX МехаНН'1'.'
скпх <:пойств чугуне
(;',,) 'Пи-;, например,
высокое отношений'
при низком зна-
чении а'ь показыва-
ет, что причиной ма-
лой прочности чугу-
на является его ос-
новная масса. При
малом же значении
причиной пони-
жен поп прочности
является уже небла-
гоприятная форма
графита. Следует (>т-
MiTHTii, что lie,'!,оста-
ток итого мс'тоаа з;|\сгк14ас’1 си в использовании обшеф стрелы
прогиба (Л вместо упругой се части (Л-..,..), которая одна толь-
ко и характеризует модуль упругости, а'следовательно и форму
;ра<фцта.
3. СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ОСНОВНЫМИ
МЕХ А Н И Ч ЕСКИМ И СВОЙС Т ВЛ М И
Всестороннее исследование металла с определением всех его
характеристик очень громоздко, дорого и часто невозможно. По-
этому обычно удовлетворяются каким-либо одним наиболее про-
стым испытанием (например, на изгиб или растяжение). По ре-
зультатам этого испытания судят о других характеристиках
прочности (‘(.'ответственно тому напряженному сйстоянию. кото-
рое В'ТН г [ I К-'! ё Г во время службы доточи. Для этого необходим^
.жат.', то-тоЧ'япепиг межау ртоными стонтотома. Это соотпглисгпн'
о и и ci то < стог и ио то, - ж ны .ч ,'irj а чу; у ti.'i, свойства кто орто'?
г. pa то:।ч।кч"[ тотокч’и а.тоитот от его tюнойпой массы, фирмы и
i;i .а.i'ior ; i;a rp(i-:;i;ria ;i (то, ai/);.eiioc i и структуры. Поэтому hi-
г. laa .: । к'। а '.'.с-жду мех ан i: 'irci-;;i м и ('[чч'к'тпами чугуна часто ка-
жется яртотичирсчитой, и лая понимания ее необходим соот-
гстсгвугицой диализ.
Механические свойства чугуна
237
Твердосг ь. Твердость чугуна
весьма разнообразил по
величине: -
хi - £ 5, > * X Е
Тип пугуиа ” НТ г V ’ Х ' -- г
Ха тгДи.и3 . . -. •• Г’ J И - 35 г. .-• Г _ 5 п п й, 'й ? з 6 Е- “.с I,1-’ щ с3 Ст 0 3 и i' ’w £ 7 1Л Д У |Ы1_ ;<ц_ 17.S— У!0 - хп— 140--
! Io 1 !':! 224 3411 ГЫ) 5Х X1J 72ч
Испытай нс по Брецелю (10 X ЗСЮО X 30) до 400 //> являет-
ся наиболее целесообразным и распространенным способом ис-
пытания тоердост!' для чугуна, прячем Х-лан шарик тем более
предпочтителен, чем крупнее выделения графита. Применение
5-льч мдрика по методу Бринеля, а тем более применение ме-
то,лов Роквелла, Шора, Викерса и т. д., допустимо только при
мелком ['рафито пли ча белом чугуне -- иначе возможны боль-
шие расхождения между отдельными показаниями. Эти расхож-
дения оказываются тем боль-
ше, чем меньше площадь из-
мерения по тому или иному
способу определения твердости.
Уже по сетей этой нршишо
соотношения между различны-
ми показателями твердости нс
могут оставаться постоянным и
и зависят, в первую очередь,
от количества п величипы вы-
делений графита в чугуне. За-
висимость эта еше больше
усложняется различием в са-
мой природе методов испыта-
ния твердости, так как одни
из них определяются пласти-
ческими деформациями, дру-
гие — упругими, третьи — де-
формациями разрушения.
При идиом л том же коли-
честве и форме графита соот-
ветствующие' переводные, киэ-
ф1[ЦН01! Г|,|, формулы ИЛИ К.[)И-
Рие. 142. Соотношение между
Различными споочГБми определе-
ния твердости чугуна
вне могут енльпо различи гы'я н зависимости <>т строения основ
нпй массы. Поэтому cymccrnyioiiHto рекомендации (рис. IX
следует рассматривать только как прaXi>женяijc.
б) о н р о т и в л с? н п е р а стя ж с н н ю. При ыст-.гт; н: i и
на растяжение обычного серого чучуна с пластннчщым графи-
том определяется только иредел прочности (;й); при испытании
Ceot'/crea чугуна
Koi'ik'ii о чv|-у11r, или серого 1 чугуна с. глобулярным графитом
'’Ii ili' 'H’.-nikiT Cllic VCIOBUI-Ul ПрСДСЛ TCKVKeC l 4 , : n) и VA-:lHl 1C)I:I
I r ::) . Предел И[ЮЧГП)<”1 И iip4 Pr’11' Ы'Г t'l II111 (X il.l1, (|; ;i'() СГрОГО ЧуГуни
СОЛCO.irf. |L-j[ OT J2 до 50 • кг'м^:‘\ фТ'рОГО тугуни С ГлббуЛЯрНЫУ
। рафцтом - од 40 до ДУНг’П. гжгж<>н > 'Гужна -од 30 д.
^0 y./.i/.ir. Величина его за ш фит, как у K-iLi^r-ka^fOCb выпи
{табл. 18), и от строения основный массы, п от ыупчества, фор-
мы и распределения графита. Поэтому следует считать мало
обосиоиаипымн попытки установления связи между пределом
прочности чугуна и его модулем упругости, поскольку величина к
в противоположиоеть практически зависит только от графита.
Установление такой связи возможно лишь для определенной груп-
пы чугунов с одинаковой основной массой, например перлитной;
з6, Kt/.tt.’.t'*.. i_; ;5 pj 22 •?.> сО 34
с, кг/м.и*........М.ЮО 9500 10000 НСОО 12,‘Q0 13000 1Ш;0
Неудачными являются попытки установления связи между
пределом прочкости и твердостью, поскольку последняя зависит.
Глаьа’г,!’.! образом, ст строения основной массы чугуна и в очечп
слабой степени — от кара г.терj графита, кроме того, твердость
характеризует сочро'пгвлмине плисгическ1.!?.! деформациям, з ир>.
дел прочности чугуна—ссжрлтшшеипг: отрыву (.S’). Поэтомм
устшншлсчше cHioit меж-
ду уiui"..,iнными CHoitCTTni-
Mti затруднительно, а се-
ли п некоторой степени в
возможно, то только !'
пределах отдельных грунт,
отдивск с одинаковой фор-
мой графита (рис. 1-431.
Как видно из рис. 143, от-
дельные группы чугуна
расположены на диаграм-
ме в виде областей с раз-
ними уклонами. Это зна-
чит, что изменение основ...
ной массы (твердости i
чугуна в разных групп?.v
литья повышает д, не
о.типаковоп iihti-ч tc ur 1
itOCTbio. При это-ii чугун
M(i>KriT иметь со I ti1 р 111 < и । а!
различную прочность при
олпиаконой твердости.
МО/Кет иметь даже более
Июли С бо.3('1’ HtlTKt'O Т':rp;i( лМГ||[
г ЫС( Ж V II: Ир! >4 НОГТИ ПСЛС.1Г ГИПС 6,'i;n-[iftp47tTUl,iX ilt.) фирмы T'I,[J|.C-
,'jс।itй графита- I at;, например, но данным рис. 143:
Koaniin чугун c твсрдоснмо 140 имеет аь = 35 «г/.и.мг.
Ccpbii чугун с iHcpiKTLTi.ie 220 Н'н имеет ^,= 2$ кг/мм*.
Поэтому еу।цегtjго ют не н литературе Мftot'c>'111с.тониые <1т
мулы. I нлт.тintii.1 ie<-'-,| VCTlllli ЧИП'Ь для ЧУГУНА (if’lHYlo СОЯЗК MC/ICI V
0(, ii И н нидобш' rovy, как :-j[(.r имеет место для cttijih, часто при-
водят к нелепостям (нулевым
а ь ):
ФГ.| р МУ-'|Ы
г,, = 0,!1//в
sb = 0.266 Ив -31,3:
"ь = (>,24 Ид—26
==0,1 /-/3 + (Ш-15)
Исходя из изложенного,
и отрицательным значениям дл
11 [ я:;.|.|;.'1 нгн'лиечтн
tipii I(.'(>
11
—4,7
при 'ЛЮ /ф
22
21,9
зе
35
следует считать, что предел прочно-
сти при растяжении является сложной функцией
тпллической массы и графита чугуна, а значит и
основной ме-
его твердости
и модуля упругости:
=/ (1/,?1 л.
При испытании на растяжение ковкого чугуна и серого чугу-
на с глооулирны.м графитом, кроме предел а прочности, опреде-
ляют сше, как [ । у а гм: ло, удлиненчь'.’ ( ф-j *. Связи между прочпм-
cti,io н пластичностью шнрог.о ижества- Нем iiuiine .-шинснис с.-.,
тем Onbi'Hio нилго. иначснкс 4. Оджиго roroi гюкбнимсрчюсго
силаны подчиняются только и тек случая.х, когда унсличсние
vh пргин'ход.ит за счет блокнр<нч,|,ш!|г| пдогоостен скольжения н
повышения сои роти вл синя пластическим деформациям (измене-
ние основной м ста латное к<ш массы). В тех же случаях, когда
повышение прочности идет за счет увеличения межатомной свя-
зи (легиронапие) или за счет уменьшения пиков напряжений
(уменьшение количества и улучшение формы графита), проч-
ность и пластичность могут возрастать одновременно. Эта слож-
ная зависимость между 3,, и ?з для черносердечного ковкого
чугуна представлена на рис. 144.
Все марки ферритного ковкого чугуна (заштрихованные ня рис. 144) ха-
рактеризуются возрастающей ндшстгогостыо парал.-теЛнно е уветогозаюшейся
прочностью, потому что повышение качества в этом случае происходит аеклю-
ччте.-тьпо за счет количества и формы Углерода отжига. -Эта группа чегечоа
имеет минимальную твердеет:-. (120 — 16i) И в ) соответственно ее ферритной
структуре. Та же закономеу-ai'crii ('оЫтюллетсщ н р Л|гог!;Х группе..-; тогоню
с более высокими, но по стон н и н ми значениями твердости (напрпмет.’. 1 1(1—
1ГО 1'1 ; ll:ij - 2Ы) // ,, |[ г д.1г Щ'Лц же Повышать ТВеТООС Ц. и (!рО'П|ЛС Г;.
КГ> 1<Г'|"|-,'1 !|<ТО О11реле.'ЩП!1<:Н Х1,-;>!<1! |ф'!ГЧ1Т|:ОГО KI.'I-коTi I Ч\|'УП;; 1С ul I piyi.c.'l Cl-;l I.!-.1
co.'lr'ii-K.'iHHi.'M !( формой д;-|1о;1.т готоц-,-1) liylWl НТО'МТНШ ie ta'ila ;|?;-
массы (. I11 > । [ мер, путем т<]>м щнгкой цОр;|бш к и ), то I i.hk'ii ni пост !. Пинит:' г
1 I HI I Ч <-Г! I ;. II д;11 > I г I оГО,! or;, l-O'.'T.'lli.'jHr'T ГО ИР П ЛИ я метре 1 0 ,1т. I.', т. <
/
, г - 11о 11 сл'-и’Д'.’!.’-;1ГГ|Гг|м :! '<тп;!.|, >' п -- (1/1 --3 yj ч .... - = 1.(1G ' ч'!Г-.•!!1 г
onpe.TO.'.'-Ti re-i и п новых типах ещтого и-,-туп:) с. глобулярным графит;;’.!.
Свойства чугуна
И c'BOi'icпо чугучп переместятся вверх и !;..;сво Ataipniiep, для мяпкп K437-U!
11,1 11"-:1ч.1 Ah 'i'-T I-.;;) XI обратим, при тер.-чп'I'-eio.iii г a'.; .;io, < г;<с ферритного м,-
К.ОЦ1 'Г.Г',:|;1 уП’IсfllгС И|JГ 1’1 Ш.1СТИ С> 1111>1
Риг- 111. Диаграмма механических
«глйств Tf;— 5 в згвиенмости от твердо-
сти и марки ковкого чугуна.
НШИИ. i-ц; (..'.ьрпю, vHii:ii>iiii.'lili":.i
УД.ТИМ'ПН;,-, f,u-, кдК ir’.MC'iiC'ine
ciioiicTn и i i !...: (-.1|учае пдоигхо i а ।
<:.| C'li-T ticorj-; I ,;[ Лиссы чу[,y:i;|.
Г’до'сма'; рис. Ы-1.
до.г; n't io o'r.Hc ixiTii, что облаем,
ковкого чугуна располагает-
ся между серым чугуном i-
сталью, псносредегс.ен[[О при-
мыкал к последней. По пре-
делу текучести ко.ткпй чу-
гун еще ближе к стали, чем
но пределу прочности, вслед-
ствие большего отношение
-та -у .
в) Сопротивление
сжатии. Предел прочно-
сти чугуна при сжатии
(д..,) значительно врет,исхо-
дит предел прочности при
растяжении (с,,), что ши-
роко используется конструк-
торами при прнменсчши чу-
гуна для деталей, подверга-
емых напряжениям сжатия.
Соотношения между зна-
чениями соответствующих
характеристик прочности
(з.-У ~ь). которые И. А, Одинг
назвал коэфициентамп экви-
валент пости, колеблются в
значительных пределах (от
прочность чугуна:
3 до 5) н тем больше, чем ниже
<ть. кг/му.-............ 12 15 19 22 26 30
............... 4,1 4,0 3,7 3,4 3,2 3,0
Однако постоянного соотношения между обоими предела мн
прочности, кик iipiiHHJo, ио суии'стпуег, тик как характер воздел-
счшг.г грифита пн с&протшшенш.1 деформации при сжатии п рлс-
тш-ючшг. ш'.шш’нщ, кик ряи'доп'нш п природа разрушения в этих
Х-..-.Ч 1.1 i ' i I -.1 < -
;; ,.гТ.ни: г.тг'иы.х y;i:yc:t:e граната \-м<Ч)гдо1гг гкндое (\’1>г’1ыг (K-in'i.ina'i
[цепи.hi 'кета-я индо. 1 "I (от< i м v i-'v :-i; ;i 1<я i; t'c действие графим p}iro-.-i:i;’ кин
oKotiiii. T'lH Hit; кик iitiii рлегп ни1:,!-;!, к iitiHiOKeii и io модели упрей', ‘тп (Лги I.
значение «lyiOjiOi’o тк.л ниже, чем йол;>ше количество и чем грубее .[.jaeaeiiit/T
CHWCTUCl '«/t.'.'ii'j
241
rf>acbiiT3. Абсолютное аншг.'нне модсдя упругости при сжатии при атом не-
сколько больше, чем при растяжении:
Л,,: = 1.1.
ис,тсдс;т!И<' су;-<1||'1ц||-; I, ;еиетт;||я. i р.-фит rioiHi'-K.icT iipe.Tc.'i прочности при
сжатии, о.чинко jtnJii'.K'. ir р стп.н, с11..11>i;г>ц стет'НП. in im'ii растя Кении,
винде отсутствия [i .'ithi.i.,;,: тручас д. lii-тiи[я графита. k.i« ।’л11ч' з,ч-
Разрушение при с?к;г!!Н[ происходит чаше всего путем среза,
о чем снс.-тстслытпует иан|.ишлсш|е трещины под углом 45°
к действующей село о сраыш :e,-n,n(> большая неличина пласти-
ческой деформации (осадка) (рис. 145). Разрушение иге при
растяжении чую-иа про-
исходит путем отрыва.
Поэтому функция:
>, : ф. -= f (-J
не может характеризо-
ваться хорошей взаи-
мосвязью. Действитель-
но предел прочности
при растяжении в силь-
ной CieneHW зависит Of р[(1. [.(Ч. Разрешение ч'-тэнп при сжатии:
НОЛИЧССТВа И форМЬ! л |,> nr4?.....i=!;i:|. я - у 4-i::ii’ чугу, г,.-.- i.rrn^tлтий;
графита, а предел * - "»ыа ,у,ун ^t.ie „11(,я
прочности При ГАИ-
ТИ!! -главным образом от асичиппц мстил..'гшнч'кггй массы
чугуна я только н псГюлышн) степени ci' графта. Поэтому по-
вышение З1'ачсш1я за окт графи la еш <.стг.ешн> ведет к зна-
чительному умспг.шсп’но коэф।!।:11 г’।iT;.i ш-шши!лентзюети :з.-„
так как предел прочшх’и-! при сжатии при этом мало изменяется.
Повышенно же значения за счет основной металлической.
массы приводит к одновременному повышению значения
В этом случае отношение ? _ь : ; „ может даже вырасти вслед-
ствие более сильного повышения предела прочности при сжатии.
Поэтому зависимость о._, = ПЛД например:
<?_„ = 0.75/73—-57 № .«3ts (115)
з_(, -- 0.60 /Л; — 53 кг мм'-, (1 i 5а)
кажется более закономерной, чем ). Эта зависимость
также не может быть постоянной, так как степень влияния
графита на предел прочности при сжати и твердость различна,
не говоря уже о том, что твердость хлрш.тер'нзуег сопротивле-
нии пластическим деформациям, а предел прочности при сжа-
тии сгшрот|ш,лс1ше разрушающим дгфчрмшшям.
I') f л> и р о т н в л е н и с нагибу. В о'тличш’ от рлегяжс’ипя
И сжатия, изгиб характеризуется 11 грашюмерi[Ым распределе-
нном напряжений но сечению--от нуля н iiciirрал-нной плоскос ти
лс- максимума в наиболее удалепшчх от нее понерхшклях.
Вследствие равновесия суммы депегнующих по сечению бруска
16 Зщ SQ5
242
Свойства чугуна
Рпс, 146. Схема определения
коэфнциента эквивалентности
при изгибе
сил- ii моментов всегда равны нулю. При этом одна часть сече-
ния (папрнмео над нейтральной 11 доскосты:>) растянута, друга»
(li'-'/i. iii.-[‘i 1ра,.'пдюГ1 плоскостшо! c‘»<ar;i. (...ytui'CTinrriaмне при ц.ч-
г| нс [ >;ili я г ।; в;, к )i ни х и сж я м и к > 11 i i x i i ;i 11 p я ж । i :; ।; । чрщц'ло к мне-
нию. ч то характеристики прочности пуп и.иибр (например, ирс-
дел 1 гf>о11постJ। э\) долялы злиими t f, i?iic.шее ?, ;чт(j между СООГ-
BC'jV) byют,iии харяктерисi иками расiяжеипя и сжатия. Хотя
последнее положение и । > а kti; неси н п р а вид и । ю и ; И :г , ука-
занная теоретическая пре;!, посылка иг верпа.
Ответственными за разрушение ори изгибе всегда являются
наиболее напряженные растянутее волокна в выпуклой ча-
сти бруска. Образование в них трещин перемешает максимум
Зрггт к следующим волокнам, в трещина, таким образом, посте-
пенно увеличивается и распространяется на все сечение. Поэто-
му разрушение при изгибе по своей природе является разруше-
нием от растягивающих напряжений и гкнзее не определяется
сжимающим и пап ряжениями. Можно было бы, следоватезжно,
ожидать, что г'ь должно быть равно з. Между тем, на самом
деле соответствующий коэф и-
цпеит экшталентноети значитель-
но болы не единицы:
-2.6.
Причина этого заключается
в следующем. Прежде всего не-
обходимо отметить, что матема-
тическое определение предела
прочности при изгибе про-
изводится на основе закона Гука,
согласно формуле (101):
н!О hi /И
ij£--- -------- —------=— ’
8/ W W
Эта формула предполагает,
что нейтральная ось проходит
через центр тяжести и что напря-
жения по сечению располагаются
строго пропорционально расстоя-
нию от нейтральной осн (по за-
кону примой лпппп). И то п дру-
гое. неверно для любого материала, с, особенности для чугуна,
и iii,[.-.i,ii-,.ie[ yiu’JHrieniie ш 1-л]।111иieига эi;щшалыiTuoen। ~ ,, \ z ~t,
I себе I'ii'VCnK и мимкгг p;| ipviiiotun. HrirT|>ajii,i:;i-,i < го i:л<s<-кr,C[[-
,o::r:'e>1ii i».'i ДгфнЗмп i.iitu fl uaupu ж-гРИи. Ho у;ы л t? 1111I o', n:.-c (puc. 116.
фО-Т,: fj). Г1:';||ГЧ)У,;11.'Н1! VUсличи ЮНЫ) Ц <; К]).||ПГ(1Х (Kl.'lrllill.'ix fill |!.!СГЮГ
huf! ,‘n и ra kit 3ti;i4iuiii!i e. Реди Hi.! i f д п p я ж ен и тт црн чтом T|.i;:i, стыгл
llpOJKlp i.| К^|Ы''! lii.i Д.'фор SIU НИЯМ, 70 СИИ рас 11 «.ложились б|.-[ ИО [;ря "1С- Н 0/1.
Механические свойства чугуна
243
н п наружиоч тюлекнч (!Г< в момент разрыта возникли бы напряжении соот-
ветственно пределу нрочн'-'стн при ;> ;i i."ih ж спи П (}.
Однако на симом jr.ie деформ.• .ши располагаются iki какой-то крянсщ
ОЛ'Л. и полому Ka/Kac.-.iv pacetcniiHii) .гы реГ1т|)Шо-шг'| t>en iweTr'iиуот
Iliy: i io[i< I'.' 11.1||[!',1Ж1 Hili.'. । 'Jiil'u. T.'v Ill'll Kpli M<!JI ll!IC|":ili J'l ] 111 Cl 1 |H',i ’.l ’ KU;
шформтпий -’}. Гс.v.спин' сумм,) monciho.i iseex en.i. ;e uстuу
ioihux п <; c1 ic i i: 111 < M J, од ' i.i г.; i i.-Tc :-г Си.. i,iii<-, ;i определяемая: Предел 11 и' ।11'11 ><-' IT
При изгибе, coca ..I CI li> фо;' ?.1\, { 11) I ) . (]: I; ',<T 111; 11 () yiJC.linitUilW'i:
।
ion------------------> 1,0.
• b
При этом уптиепг дейетчуэлп;:?; ca.i и. ctctotli предел пронностн
при изгибе з г, г;;i е а т от формы сечытпя.
Друган придти нрраиснстеа з лежат 3 ре у смешении нейтраль-
ной оси и сторону сжатой части (применю на 8—10%) зедепстоие того, что
Е по "> Е (,;.ст . Для сохранения ри.тпосеспя моменты сч;.1!, дсйстзуюгдпе
в растянутой и сжатой частях, должны бить раины, что при укауанне.м усло-
вии [ L. с-,|-. 'л- Ь Г|.,е । ) межег ямсгп 'често тол г то при пср'?мён;езин нейтраль-
ной оси по наприa.iei;i!io к сжатой части. Это гр; но/шт < г.тыпганпю еысоты
(/1) и момента сои роти вл гены (IV) растянутой час-тн слглы; и ;1, а зпачцт
я к учел т.-енгю ыимгн: a aeiiCTayiouiit < ии.ч. Пизт шу пере?. 1 ь।:(еи11 с пей траль-
ной осн рызызает дальнейшее Фнктп г но» г. оз ы пение пределу прочности
при i:>rное
Наконец, псравкомерность p;iciipc;((.l.n.';ni>i нa11;>ажрый при изгибе п
уменьшение их .Tiianeiim'i о G.'i if зл о ж a i д 11 х к lici'n р:ы i.nuii ricii подокнах умень-
шают ДО |.('*nil, К) liallpjl yr. I: j i оДТ :, I! j'l C ii C TI 111'. Г [) .1 ф 11 I Ц , IXIIi 1111Д p i; 4. I ] IT'H О МУ
С0ПpCii'111i.'ii:11иc pa?.pv111г1111io пип if i.'inii' irmii.iiineii'ii i;e тол i.cu Фш,'гп-лпо (no
ранее укатанным а чум npienmuM). со и и .Щи in < n e.:i111 ко a, u x ;i[mi< iep .ui-
ВКСимогт» у, : -z от (ишопиой .наесн) и графита отличается несколько пт по-
добной зависимости при растяжении. Значение ко'-уфншгчшта тк|мгна.чентцости
при изгибе ( —а) зазпеит. таким образом, от формы кривой пластиче-
ских деформаций (ONA) и количества и формы графита в чугуне.
С увеличением количества и с укрупненном выделении гра-
фита в чугуне повышается розница в действии графита, как
надреза при растяжении и изгибе. Поэтому отношение Vь : о6
растет с уменьшением прочности чугуна:
®ь, кг/.мл-........... 13
.............. гл
10 20 21 26 29 33
2,3 2,1 2,0 1,8 1,7 1.4
Существующие формулы, устанавливающие связь между
и V
1=1,9
it, = 1,18-5ь12,9 кг .о.о- илгг —- = 1,18 -|---. (116)
э,
П с дт 1 те р; к д а к, г эту закономерность.
Зависимость стрелы прогиби (/) от предела прочности (3J
ВЫ рай, аек"п в очень слабый етенсви. Эго об няыглгтся Тем, что
Прела прогиба состоит на лву?; частей (!' -!'...,, которые
5 разли ;н<>н степени зависят oi оиьтчо'а массы чугуна в харак-
тера графита. Поэтому, наряду с обычным возрастанием стрелы
16*
2-5-1
itjjo ii i г .месте с
* Н. J poi।rU<[i,\i:
пределом прочносгн, как
это отмечается
/,00 =0-24 ~b~
нaг.л [цдз iO'i-ся и противоположпые заbuciixh’<- ci i. Так, повышоиие
с:ei।ен|] графитизации и Укрупнение rpiHjuria \ютут привести
к увеличен г.fo упругой части прогиба вследствие уменьшения мо-
дуля упругости, несмотря на то, что при этом наблюдается па-
дение эф-
Стрела прогиба является важной характеристикой чугуна,
так как определяет в известной мере пластичность материала.
Д-) Сопротивление давлению в к л и и ь я х. Сопро-
тивление давлению в клиньях (ГОСТ 2861—45) дает предста-
вление о прочности (',, ), которая, как правило, несколько мень-
ше обычного предела прочности при растяжении (/д ) Согласие.
Л, Е. Омельянову:
= о1; + 3,3 для серого чугуна, (117)
% = 0,3-к24,5 для ковкого чугуна. (117а)
е) Сопротивление срезу и кручению. Методы
определения con роти влей ня срезу ( ) весьма разнообразны,
Испытания, на срез сопровождаются обычно в большей или
менылсп степени изгибающими uaiipHasciuotMii. В зависимости
с-i' этого, а также от качества и строения материала, коэфицнен-
ты эквивалентности при срезе ('//о,') колеблются в больших
пределах (0,75—1,8), повышаясь с понижением прочности:
crft, hi/ri.K'.. Г2 15 19 22 26 30
z^-t,........... 1,6 1,4 1,3 1,3 1,3 1,2
При испытании ковкого чугуна
автором найдена та же зако-
номерность;
-ь. аг/мм- . .
Ъ ' 5г>.........
30 35 40 50
1,1 1,0 0,9 0,3
Испытание на кручение обычно производится на сплошных
образцах с определением предела прочности при кручении (у/)
и угла закручивания. В этом случае, так же как при изгибе, на-
пряжения располагаются неравномерно по сечению, возрастая
от нуля и центре до максимума ( а,/ ) шт периферии. Коэфшпг
cut экшшгок’нпшетп ж/имеет, следовательно, такую н-ж
природу, как и ф/: . Поэтому соответствующие отпошец-ы
( -г./ : ю, или ?,/ : -h ) оказываются тем выше, чем больше ко-
личество п чем крупное выделения графита. В среднем можно
принять значение отношения ~t,''-аь Для серого чугуна равным
] ,3, а для ковкого чугуна —1,1,
.Мсхш-ич"сь:1/.е свойства чцгцна
245
Одновременно при кручен?!! определ-.стся абсолютный О.)
или огни и тол ьп ЫН । ) ук'<1 .'чжруччшишя, ха । кжге аш зу юши ;)
пластичность матерna,4:i. Этот yin.'i можно перегости из градусов
8 рпД| !.!!! 1>|, определив тают (Z у л М DTHO'CitTCJibfioc удлиненно
при кручении (1):
7% --100-•-== 1,75 — . (Н8)
;.щ I (
Исходя из третьей теории прочности {теории 1танбол1,шцх касательных на-
пряжений), следует сжидить, что относительное удлинение при кручении
в два раза больше, чем при растяжении:
7=23,
В действительности таксе соотношение маолюлается только при наиболее
благоприятной форме углерода отжига, т. е, в козном чугуне ьысшнх марок.
{ С ухудшением формы графита значение 3 снижается резче, чем 7, поэтому
отношение 7 : 3 возрастает, доходя в сером чугуне до 11 И выше.
ж) С о п о с т н в л е н и е дина м н ч ес к и м н а г р у з к я м.
Хотя сопротивление динамическим нагрузкам может быть опре-
делено при любом напряженном состоянии, наибольшее распро-
странение имеет динамическое испытание на пзгдб однократным
или многократным приложением i1 а груз г. 11,
Так как при этих ||('ш.[гаипях' определяется работа, Шкжрн-
нимасмая определенным обкомом, то у.ъншая низкость, рассчи-
танная на единицу течения, является условной иол ж 11, i loii и no
может служить характеристикой прочности. Это усложняет связь
между ударной вязкостью н показателями статической прочно-
сти. Тем нс менее в некоторых исследованиях найдена зависи-
мость между ударной вязкостью О,, ) чугуна и его статической
прочностью но только пр и ненадрезанных образцах
(рис, 147),
Повышение прочности в этом случае сопровождается некото-
рым возрастанием ударной вязкости. Однако, с увеличением
прочности повышается чувствительность к надрезам, поэтому
Be обнаружено связи между прочностью и ударной вязкостью
надрезанных образцов.
Значительно ярче вырисовывается зависимость между удар-
ной вязкостью и величиной пластических деформаций при раз-
рушении, как это видно из рис. 136, Это положение особенно
Справедливо для ковкого чугуна, характеризующегося сравни-
тельно большой ударной вязкостью:
®«, % - - . . 2 3 G 8 10 12
°*(ш> Мепюкс).1
л-глЛ-.!,* .... 0,5—0,8 0,.8-1,2 1,2-1,6 1,3—1,8' 1J—2,0 1,6—2,2
1 В д;.1 л । ,ч ей me и ударная вязкость пригодится по Меш.оке за исключением
ел Уча ев, оговариваемых особо.
246
Свойства чцгцна
Однако в некоторых случаях, например при отпускной
х[>упкостт («белый излом» в кенжом чугуне), наблюдается низ-
кая- ударная вязкость из-за малой ме ж к р i-ec’i ei .о л riTiiori прочности,
в 'го г,рс-М1| как власти ч и ость металла ocincrcn ла ’ нормальном
уровне. В этом случае связь между ударной вязкостью н пла-
стичностью исчезает. Это тем болею естественно, что ударная
вязкость зависит но только от пластичности, по и от прочности
чугуна.
Сопротивление многократным ударам (iVs) не находится
в явной связи с ударной вязкостью, измеренной однократно при-
ложенным грузом (<?<, ), Как видно из некоторых литературных
данных (рис. 148), количество ударов, выдерживаемое чугуном
до разрушения, резко увеличивается с повышением статической
прочности ( ), хотя ударная вязкость, измеренная однократно
приложенным грузом, при этом почти не меняется.
з) Сопротивление знакопеременным нагруз-
кам. Переменный цикл напряжений возможен при любом на-
пряженном состоянии (растяжение—сжатие, изгиб, кручение).
Чаще всего сопротивление знакопеременным нагрузкам опреде-
ляется при изгибе -Э
Определение предела усталости обычно производят при сим-
метричном цикле изменения напряжений (так называемый пре-
дел- усталости при вибрации). В этом случае напряжения', колеб-
лющиеся от максимума до минимума (з„,„), равны по
а бег й г< >п; < >i"i величине (например, от -615 к?/м,м- до —15 ла/льм'О
Среднее напряжение при вибрации, таким образом, равно нулю:
*гг,,7 >^Ц28‘!У = 0 (] 10)
Механические свойства щ/ецна
247
Во всех других CJiy’Wflx («if имметричные никлы) средние напряжения
(•c[vji) HMcii'iT какие-то положите.1! кинг илц отр?iii«iтельиые значения. При
этсм. кроме постоянно деж toviOiHCi о i । л и р ч ж ев i'. я, асимметричный цикл ха-
ри KI г ]щ IV стек а мплктудо!! ii.'peynoi'.-.щ ;> ц:нш>1Жеи1И1 (+ ;и ), так что ираде.п,-
Hiii;' вапояженнн (--/j J fl лта случае определяются:
= ,,= тр., ’ (’г°>
1.1 частном случи-', КОС,'111 Т, р(,л ко.’[ (.:Сл I [ Ч Я ПППРЯ*
Ж, 1111 if nrionpxo.v.-iT от <J До M|,J ц дело С flV.lb-
c.-.iLiiifi!. Напряжения в inci I'/piie де -.i си я ю г знака, из-
меняя только пел а я hi: v от i'.t.it до млкенм'гма. Нре.тель-*
ные ни пряжения усти.тост11 при асимметричном цикле мо-
гут быть определены tic> соответствующим дмигрпммрм
(p,-iC, 149):
Предельные напряжения усталости чугуна
при асимметричных циклах в области сжатия в
3—4 рала выше, чем в области растяжения (при-
мерно в том же соотношении, что и между ста-
тическими характеристиками прочности—"_Л и з„)-
Поэтому является полезным создание постоянно-
го напряжения сжатия, чтобы,: при псрподическ|гх
нагрузках напряжений растяжения новее не было.
Достоверная теория усталостной прочности в
настоящее время еще по еллдапа. Поэтому труд-
но установить свянь между усталостной н ста-
тической прочностью, Х(ПЯ В тех,! 1! чес ко й лите-
ратуре для ’Ггпй пели существует много экспсрн-
иептальных формул. В болы пн петое случаев они
имеют вид:
— = const, (121)
' ТО С
% = -W ИЛИ — ж. /г 4------------,
аб
где к—коэфициент пропорциональности;
с — константа.
Соответствующий коэфиц'шнт эквивалентности
вляет для чугуна 0,35—0,60, в среднем 0 45, т. е.
Ще, чем для стали. Однако эта величина не является постоянной
и, как видно из формулы ((22), понижается с увеличением проч-
ности чугуна.
Последнее подтверждается следующими данными для серого
н ковкого чугуна:
% , кг/,;х!.................. 18 2G 30 40 50
cR'::i>( 1'PiJit чугун) . . 0,55—0,52 0,50—0,45 — 0,45—0,43 —
’п,—г, (К" Кий чугун) . . — — 0,45 i).!3 0,41
зз
30
го
Monu6ffena-
S&t/ чугун
го
ЧУ2УН
/5
W
« nt г? го
Ряс. 148, Зиии-
11 зц । сть между
(!,i 11111 it: i i i.r| e 1111 ем
.vi и,i ток |i и th им
ушным и tine-
м.юм прочно-
сти при рас-
тяжении
(122)
соста-
несколько вы-
Соотношения между пределами усталости при растяжении —
^Жатии (за), изгибе (з'а.) и кручении (v\-,) колеблчотся
Свойства чцгцна
в б:i..\:,тих пределах, но в качество мерного приближения могу?
бь:тг следующим обра.ч-о,эт
Сгми CiTUii 4)111, чугун
Рг.с. ГЮ. Днагр;।.vryi!! ;ici)ч?4t.-;'[>11111;)J'< iuhctois при р;ктя-
I'iiHjioiin' часаm;;|uiit.ilv ii,Ht|isoi<i‘iiUHX
Из этих данных нидио, что
только hiiicomin; о'Ппннением б.
чугун ха]?л птеринуегся сравни-
: и особенно высоким отношс-
Наем По своему пределу усталости при кручении (< ।
Рис. 1'1(1. Coo г ;«л t ite । )i;e мсЖ.'-Ы
itjjpo'iiicucin п/тп "r'-ttisi'.
иип ( }, и pea rati ми vc i o.'i: ;c th
CT 'и : ;,) 11 I (Il ICT 1111 ec l<( JH till.!-
костью (?)
делении ii у мс л f л i юн и н модуля
чугун даже по абсолютной вели
чипе весьма близок к стали, чтг
является его характерной особей
ностъ'о как конструкционного .ма-
териала.
Весьма интересна связь меж-
ду пределом усталости гг цикли-
ческой вязкостью ('?) чугуна.
Чем меньше характеристики ста-
тической и усталостной прочно-
сти, тем больше, по литератур
ним данным, циклическая вяз-
кость !рче 150). Это зависит,
главным образом, от соответ-
с ri:y;<'Шаго уisc,tii!4eiinn количест-
ва fi'i-KjiHTa, укрупнения его вы
унруюстп:
Л, лт/.к.СТ . . . МЫ !) 13 он 12000 MW SIT'D
21 2-1 25 28 3'i 32
ЛЫлтадагсскгл’ ceoiicrt:,^ “.licifna
Иптенеишгосг!, нд>аст;'.;ны ниы и че-гкоч вязкости с увынпедисм мне-
ния также заппспг от ct|)',ктгрн i; прочности чугуна, П,[:>;>с:,ii-i11e Uioicrxo-
ди'Г тем ।[irTC!ic11i'li-iec. чем iujkic- iiii ।:i:-ti> чутучт. При чтом .loeijJiiuTiкт чи-
чснне HKK.'tHroirtOi'i ',ти иптюн;.-,!.; i неипого чугуна м;еи> г»: < i i лете я , нд-
Ш’ИСННСМ напряжении, Г. in ii'TT.i i;,-.k у [JUCO К О К ,'i ’ I ест : ы: 11 Ki О > чмуил 'Ч. ,
возрастает с щигнною | 1:г;тпму b.i.inni;,i в иию|нчсекы"| Hii-.iioicTii iiaanu.-;
сортов чугуи.1 .,! с yki'.tirrei.iic.M напряжения:
СЛ. K/rf...................., 11 ;3 17 27 ЦП 33
о При - -р_ 2 кг/у о; ф, [5 8 ;>
(f при т = ;<-*- , %. . . ?м 25 23 23 18 25
Соотшл । гении у.-ежду .механическими свойствами являются
сложной и далеко еще не выяснепггоп функцией структуры чугуна
и колеблются в больших пределах, Бее же можно установить
общие тенденции этих закономерностей, позволяющие в боль-
шинстве случаев правильно судить об изменениях многочислен-
ных характеристик прочности по изменению некоторых из них,
наиболее легко определяемых.
4. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
Химический состав чугуна является очень важным фактором,
Обусловливающим механические свойсп.д отливок. I ]ри этом ме-
ханизм илняппя элементов определяется, tданным образом, из-
мененном условии первичной п вторичной кр।ioIалл-iIзав।,п. Из-
менение же состава структурных составляющих чугуна имеет
меньшее значение, хотя легирование феррита и повышает его
прочность. Поэтому одним легированием твердого раствора, без
соответственного изменения структуры чугуна, нельзя достичь
значительного изменения прочности. По этой причине обычно и
не применяется в качестве конструкционного материала легиро-
ванный ферритный чугун, например ковкий.
Изменением состава других структурных составляющих (кар-
бидов, графита, сульфидов, нитридов нт. д.) можно пренебречь
с точки зрения механических свойств чугуна, так как действие
подобных включений обусловливается только блокированием
плоскостей скольжения, сужением сечения п созданием надрезов.
Поэтому играют роль величина, форма и распределение, а не со-
став и механические свойства этих структурных составляющих.
Таким образом, основное влияние легирующих элементов па
Механические свойства определяется теми изменениями в усло-
виях певвиччой и иторпипип кристаллизации чугуна (количество,
форма в распределение графита, величина зерна, характер гю-
Новной металлической массы), которые обусловливаются хими-
ческим составом металла. Изменение же состава феррита имеет
в чугупе подчиненное значение (вследствие высокого содержа-
Свойства чугуна
нчя в нем углерода), которым однако не всегда можно прене-
бречь.
держания, yi лсродл
Рис. 151. Влияние углерода на механические
свойства чугуна
все его мелапические свойства (рис. 151
глеролз п кремнии. С. повышением co-
il кремния увеличиваемся а?речь графитиза-
ДШ|, (км’.ышаетея ко-
л।!иегп;р графита и
укрупняется его еы-
дслсшш, т. е, изме-
няются как струк-
тура основной ме-
тадднчес кой м ассы,
так и количество в
форма графита в чу-
гуне. Такое измене-
ние структуры чуту-
!3
№
да
гв
%
5 is
на, как показывают
исследования, силь-
но понижает почти
и 152). Исключение
составляют только циклическая
вязкость и до некоторой степе-
ни стрела прогноз, возрастающие с повышением содержания
углерода и кремния.
Особо большое влияние на механические свойства имеет со-
а 1 В л и я к п е у
держание у1Лсрода, При этом в малоуглеродистом чугуне
(2,75—3,0% О, в npoTiiiKiiiojO/KiiocTi-. высоюоуглеродистому
(3,3—3,5% С), механические свойства сначала повышаются
с увеличением содержания кремния до известного предела, а за-
тем понижаются, Это объясняется наличием структурно-свобод-
ных карбидов или междепдрнтного графита в малокремлистом
и малоуглеродистом чугуне, что понижает его механические
свойства. Увеличение содержания кремния в этом случае, спо-
собствуя графитизации пли устранению междендритного графи-
та, повышает механические свойства чугуна. По этой же при-
чине уменьшение содержания углерода тоже имеет целесооб-
разный предел, ниже которого прочность чугуна понижается
вследствие межлендритной кристаллизации графита.
Так как общая закономерность зависимости структуры чугу-
на от содержания углерода и кремния выражается структурной
диаграммы'!, то она естественно в состоянии отобразить и соот-
ветствующие изменения механических свойств чугуна, как это
НПД1Ю 1Ю щншеденных в литературе данных (рис. [53i. Макси-
мальная i.'po'iHocrb чугуна соответствует положению его в сред-
ней част перлитной области структурной диаграммы. В вгрхш-п
ее части проч пости понижается вследствие повышения степени
эвтектшшости и увеличения количества углерода и графита:
в нижней части — вследствие междендритной кристаллизации
Механические свойства чцгцна
251
графита. В обычных условиях практики составы чугуна распо-
лагаются в вгрхней части перлитной области, Поэтому, чем
больше углеродный эквивалент (Са = С + 0,3 Si), тем ближе
Кремний, %
Рис, 152. Влияние кремтигя на меха-
нические с ио it ст па чугустд при разном
соде р ж ;> и я я углерода
находится чугун по своему составу к эвтектическому, тем круп-
нее, следовательно, выделения графита и тем ниже прочность
чугуна (рис. 154). Вместе е тем при этом наблюдается увеличе-
ние" пластических деформаций: стрелы прогиба и до известной
степени — ударной
вязкости чугуна.
При замене угле-
рода кремнием так.
чтобы структура ос-
новной металличе-
ской массы не изме-
нилась, т. е. при со-
хранении условий:
С • Si const
или С + «Si = const,
углеродный эквива-
лент (С, = С 4- 0,3
Si) понижается. По-
риг. 153. Зависимость прочности чугуна от его
положения на структурной диаграмме
этому понижение со-
держания углерода
в чугуне при сост-
ветствующем ловышешш содержания кремния приводит не
только к уменьшению количества графита при сохранении струк-
туры основной массы чугуна, но и к размельчению графита
вследг!пне понижения степени эвтежгичиос!и. Следог.ате.'ишс,
Углерод и кремний нельзя считать равноценными л огношении
11Х ммнпя на михлническпе снойстпа чугуна, п замена G'i<i изве-
стного предела) углерода кремнием имеет своим следствием
Свойства 4,y<4ffici
ПОИшЬЫНИс ХД.-ХщИщеСКИ.Х СВОЙСТВ, В th'i/k11НЮСТИ В ПерЛПТИ<-'М
чугуне.
Нрп iюы;iicrti[и содержания- кремния сверх 3%, твердость
ЧУГУ'Ы H.THill.H’T повышаться ВСЛСДСГШ1П у мои ь:| и-,! ||и количеству
граф;।та и увеличения кониенграиии кремния н феррите, хоти
про'шесть н пластичность при этом продолжают падать:
Si, %........................... 1.2 1.8 2.3 2,к .ди 4,2 5 а
О/,. /з/.к|Д....................30,4 30,0 26,0 24,0 22 22,6 21,3
/у кг/.чм1...................... 186 165 155 81 81 103 1Э0
Для оценки чугуна, как конструкционного материала, имеет
большое значение однородность его свойств в разных частях
отливки. Металл с низкой однород-
ностью может дать высокую проч-
ность в тонких частях отливки и
низкую —• в толстых. Наоборот, ме-
талл с высокой однородностью в
состоянии обеспечить высокую проч-
ность во всех частях отлнвкн и,сле-
довательно, во осей детали в целом.
Зависимость механических свойств
or толшнпы стенок отливки ныра-
/Кается показательной функцией:
где — соответствующее свойство
бруска диаметром D;
з/Л)— соответствующее свойство
бруска диаметром Do;
а — коэфиииент однородности.
Чем больше абсолютное значе-
ние коэфициента однородности, тем
больше неоднородность в свойствах
различных частей отливки. Иссле-
дования показывают, что с увеличе-
и кремния абсолютное значение ко-
Рис. 154. Зависимость механи-
ческих свойств чугуна от ве-
личины углеполного эквива-
лента
нием содержания углерода
эфицнента однородности повышается, а именно:
и = 0,24-у 0.286 [(И-J- 0,8 Si)—4,2]‘!. (124)
Таким образом, с уменьшением содержания углерода и крем-
ния механические свойства чугуна не только повышаются, но
и in j р; 11 a 111 па гг>1 с я в рдяных частях отливки, охлаждающихся
с раа111>й скоростью, причем углерод и этом отношении дейст-
вует с । к-т внес кремния.
Уменьшение содержания углерода в ковком чу 17нс имеет
еще Сюлышч' значение Для повышения механических свойств.
Мгхакичегкче свойства ‘Шщна
нем в сером чугуне. Как вид-
но из рис. 140 и !44 ппра.ч-
Л'лпьно с увеличением проч-
ности повышается анже и
удлинение. Это оОьасиястсч
уменьшением количества и
улучшением формы углеро-
да c i жига при одной и той
же структуре (ферритной)
основной металлической
массы.
О влиянии кремния на
механические свойства ков-
кого чугуна сущест-
вуют противоречия. Однако
можно утверждать, что это
влияние невелико, хотя все
же отрицательно даже в том
случае, когда повышение
содержания кремния еще
не вызывает выделения гра-
фита в сырых отливках.
Поэтому повышение меха-
нических свойств ковкого
чугуна чаше всего дости-
гается за счет понижения
содержания углерода, не-
смотря па то, что для со-
кращения времени отжига
при этом увеличивают со-
держание кремния. Однако
следует иметь в виду ухуд-
шение литейных свойств чу-
гуна с понижением содер-
жания в пем углерода.
Ь^б) Влияние марта н-
Ц а и серы. Влияние мар-
ганца и серы на механичес-
кие свойства чугуна опреде-
ляется в основном соответ-
ствующим изменением струк-
туры основной металличе-
ской массы (степень графи-
тизации, дисперсность -пер-
лита) , а также изменением
-1--------1------1_____I-------1_____I______I______1 — i ... >
<?<? 8,8 t,8 2,0
Рис. 155, Влияние марганда )Ы меха-
яическре свойства чугуна
254
Свойства чугуна
нормы графита ц образованном включений сульфидов. Это влия-
ние граtn।htc.'Hifh.) невелико н зависит от c<n'iага чугуна, вслед-
ствие чего .’tn j ер л тури ые данные но лому tie просу часто проти-
воречивы.
При средних и низких содержаниях угле-род.ч повышение со-
•ттж,I'liiii v'.'i рг.нша до 0.8---1,2':и, как показываг: । щеледошишя
Вг'1.-| a, yjie,.'i 11и[i.joiст прочность чучуиа (рис. 15л). Дальнейшее
увеличение содержания марratma оказывает уже отрицательное
олшпшеПонижение механических сшсшств наступает в тот
момент, когда марганец начинает резко увеличивать количество
связанного углерода с образованием структурно-свободных кар-
бидов. Очевидно, что этот момент наступает тем скорее, чем
меньше в чугуне углерода п кремния и чем хуже условия гра-
фитизации. В шегмтоуглеродистом же чугуне понижение прочно-
сти не наступает даже при 2,4% Мп.
Стрела пред год и ударная иязкссть имеют наивысшие зиаче-
нггя при более низком содержании марганца (0,3—0,6%), обу-
словливающем максимум графитизации. Однако при высоком
содержа к и и углерода оптн.малыше содержание марганца повы-
шается (до 2 % и гщше) вследствие размельчения графита
и ераш;11тел।,ito слабого илцшнш маршита из стеиснь цшфптп-
зашш в этих уелониях.
Кик iHtJiito из [шс. 1 об, уиеличешле с.одеужаипя марганца вле-
чет за cooriii также поиыпшпае твердости (тем больше, чем
меньше содержание углерода п кремния в чугуне). Однако
увеличение содержания марганца до оптимального баланса с се-
рой сначала шлшжает твердость чугуна. При дальнейшем уве-
личении содержания марганца твердость повышается из-за тор-
можения графитизации и сорбитизации структуры, Особенно
сильно повышается твердость при отбеливании чугуна или обра-
зовании мартенситной структуры при достаточно высоком содер-
жании марганца (около 5%). При образовании аустенитной
структуры (-10% Мп) твердость чугуна вновь понижается.
Сопоставляя имеющиеся в литературе экспериментальные
данные по влиянию серы, можно притти к заключению, что сама
по себе сера, в особенности в виде FeS. оказывает неблагоприят-
ное действие на свойства чугуна, понижая характеристики проч-
ности и пластичности (рис. 156). Это объясняется ослаблением
границ зерен эвтектикой Fe — Fc-З и до некоторой сте-
пени— образованием дополнительных надрезов включениями
Mt).S. Однако указанное влияние не проявляется интенсивно.
> I!<. ел<'.тt1 о! 11 ня I'. И. Кж-Ц1,-1вч-1 in огтпом зиподе пежзтигц, его мети-
ЧССК1Н: гл...И'.'г,л uyivriti [~!, j ntini.ihiп|чтся с 33,5 до 3G.5 лж'елг’ гны viioJia
чепца ru.i.-a.T.intui на г гл пил с ().'! до 1.4 . Согласно оаьггпм В. М. tllecna-
коиа, noiiiriнп.чHitt ti[wi.'I'.jtth 'tyrytiii лг!Г).чоДаетсп даже ьпределах де \ Ma
Механические свойства чцг^на
2,';5
' Поэтому в мягком чугуне вредное влияние серы даже перенры-
; в;цтся попы hi синем кол и честм п связанного углерода, в сг.яз^
. с чем прочность ч\ттиа
у nc-.-'f 11 ч и вл cmi. Mexaiiii'K’-
' си вс сгюштиа часто <>с( п-
кося бе i за метко! () и o'e-
неняя даже при иотт-
' тельном содержанта се-
' ры (до 0.18%). Одна но
при этом следует всегда
учитывать сс'отсетству|О-
и:ее ухудшение литейных
свойств.
Что касается влияния
марганца и серы на од-
нородность мо.хапических
своиетв, то оно выражено
в стиль слабой форме,
что им можно пренебречь.
i.t'ffLL, "*
Рис. 156. ВлишШс сери на механические
сиоРства 4’,T\iTJ
Рис, 157. Влия-
ние тнаргтици
на cwvktvp'j
и механические
свойства ков-
кого ч^тхна
Содержание марганпа
в ферритном ковком чу-
гуне всегда находится в
надлежащем балансе с
Cepoii, поэтому влияние
Этих элементов на меха-
нические свойства весьма
ограничено. В перлитном
же ковком чугуне повы-
шение содержания мар-
ганца влечет за собой
торможение графитиза-
ции и увеличение количе-
ства перлита в структуре,
вследствие чего, как пока-
зал И. И, Хорошев, по-
вышаются характеристи-
ки прочности и понижает-
ся пластичность (удлине-
ние) чугуна (рлс. 157).
V и) В л и и п п е ф о с-
ф о р а. Влияние фосфорл па статические и дшитмяческие сйои-
Стг.и 'iy;yua иолройпи огпепшпо и тех1111-геск.।i"i ..'Нги'раtype. Ма-
ксимум CGiTii'iecKc.iH прочности обп.'|[.'ужтн при 0,3% Р. стрела
Прогний и ударили вяпиостп непрерывно падшог, и тверд/’Ct(j
растет с увеличением содержания фосфора (рис. 138).
Сюйсгии
Особенно резко про-
n'opie tcf; отрицатели,,
nw слияние фосфора
в । iii’o коу глерод истом
TJVI > ГIC t( В чугуне I'
3HTt'!Г| :V.if [,11ЫМ К0Л11ЧС
стр,йм феррита в струк-
туре. В перлитном же
чугупе п rip и низком
содержании углерода
вредное влияние фос-
фора сказывается в
меньшей степени, н
ударная вязкость чу-
гуна при однократном
и многократном прило-
жении нагрузки начи-
нает падать только с
0,3% Р, как и статиче-
ские свойства (рис.
159).
Влияние фосфора
па однородность меха-
нических свойств так
же отрицательно, как
и на структуру чу
туна, Поэтому с уве-
л ii ч е н и е м содер-
жания фосфора
разница в меха-
нических свой-
ствах толстых и
тонкихчастейот-
л и вок у в е л и ч и-
н а е тс я.
Что касается ковко-
го чугуна, то повыше-
ние содержания фос-
фора свыше 0,2—
425% резко увеличи-
вает его хрупкость.
Рис. 158. |5„чitsiiiHe фосфор»
на механические свойства
чугуна
Механические свойства чугуна
25
г) Влияние легирующих элементов, Влияние ле-
гирующих элементов на механические свойства чугуна весьма
разнообразно н зависит от состава металла, его перегрева и
условий .охлаждения.
Благоприятное влияние легирующих элементов в стали
определяется, главным образом, повышением прочности ферри-
та, изменением дисперсности карбидной фазы, увеличением
0,0
''0,8
0.3
38 "г
0,0
О 0.2 ДО 0,5 08 f,0 О 0,2 08 Ц5 08 tfi"
Фмфар, %
Рис. 15!) Ikiiiiiinte фосфор:, па ударную ияокы'т,, 11 с м рта о го
чугуна:
I __ проб.-. rtrs п,тд>о.:а (IOV|5 wm): 2 - npoGri e лртглч u;i.ipc:ir>M (10УК1 mv)
прокаливаемое™ и устойчивости против отпуска, т. е. возмож-
ностью более эффективно использовать термическую обработку
с соответствующим повышением пластичности при данной проч-
ности. Однако чугунные отливки обычно не подвергаются тер-
мической обработке.,' Кроме того, благодаря высокому содержа-
нию углерода в чугуне ’ упрочнение феррита легирующими
.Элементами не имеет столь большого значения, как в стали.
Распространено мнение, особенно за границей, что примене-
ние легирующих элементов в чугуне не имеет большого значе-
ния и что обеспечение тех или иных механических свойств чугу-
на возможно другими способами, например понижением содер-
жания углерода. Эта точка зрения неправильна. Легирование
чутуна, как способ повышения механических свойств, имеет
бел।двое практическое значение в производственной работе на-
ших .питейных и научно обосновывается следующими сообра-
жения ми.
Формирование вторичной структуры чугуна во время охла-
ждения в форме подобно тому, что происходит при процессе
Термической обработки. Поэтому влияние легирующих элемен-
17 Зак„ 805
258
Свойства чугуна
ТО в на однородность чугуна в некотором смысле аналогично их
влиянию на прокаливаемость стали и оказывается весьма по-
лезным,
Кроме того, легирующие элементы оказывают влияние на
механические свойства чугуна путем изменении условия первич-
ной и вторичной кристаллизации.
Изменение физических свойств (вязкости, поверхностного
Натяжения и т- п.) жидкого раствора, образование тугоплавких
соединений! определенного строения с соответствующим уров-
нем поверхностной энергии и изменение сил взаимодействия
между атомами раствора являются важными путями воздейст-
вия легирующих элементов на первичную кристаллизацию
и графитизацию чугуна /Наиболее интенсивно и благоприятно
в этом отношении действуют ванадий, молибден, хром, титан.
Рис. ItiO Влияние
яикел»! пи мехапи-
г[С1’киг' сасзнетиа
ivrvua
/Эти элементы размельчают выделения графита и повышают
механические свойства чугуна. Еще большее значение имеет
воздействие легирующих элементов на вторичную кристаллиза-
цию, в частности па степень дисперсности перлита. В этом от-
ношении действуют благоприятно почти все легирующие элемен-
ты вследствие уменьшения температсры пли скорости превра-
щения. При этом карбндообразуюшнс элементы (хром, молиб-
ден) оказывают еще влияние на форму эвтектоидных карбидов.
Оптимальные результаты можно подучить при одновре-
менном ионД1 ветвиI! па пс]1Ш1Чпуи.1 п вторичную кристаллина-
цшо чугуна путем еоогпетгтвуюшего комплексного легиро-
вания. По этой причине из двух групп легирующих элемен-
тов, образующих преимущественно карбиды пли твердые рас-
Механические свойства чугуна 259
творы, первая действует па механические свойства интенсивнее
чем вторая; Так' как параллельно с сорбитизацией структуры
I обычно благоприятно изменяет ц
у форму графита, Влияние этой
I ^KapGnAoocpajyioiiit'if труппы иро-
к является тем сильнее, чем ниже
j содержание углерода в чугуне.
I Экспериментальное соностав-
< ленде элементов по интенсивно-
! сти воздействия на прочность
г, чугуна располагает их в с.тедую-
| f' ший ряд:
I Mo, V, Cr, Си.
||
'J Наиболее слабым является
§ влияние никеля и меди, что объ-
। ясняется их графитизирующим
! действием. Как видно из опытов
автора, М. П. Симановского и
Г. М, Голуб (рис. 160), никель
несколько повышает прочность,
пластичность и вязкость чугуна
вне зависимости от его эвтектич-
ности Твердость же чугуна
может при этом повышаться или
понижаться в зависимости от со-
держания никеля и характера
исходной структуры.
Рис. 161. Влияние меди
на механические свойства
чугуна:
А В С D £ Т
С, TL 2,9 '2,3 3,3 3,1 2,9 3,4
Si, % 1,90 [,75 1,80 2.2 2,0 1,6
типа получаемой структуры
твердость чугуна
В чугуне, склонном к отбели-
ванию, никель, способствуя гра-
фитизации, уменьшает твердость;
в мягком же- чугуне никель, сор-
битизнруя структуру, увеличивает
твердость. Точно так же в зави-
симости от содержания никеля и
(перлитной, мартенситной или
аустенитной)
может увеличиваться или уменьшаться.
Влияние меди примерно аналогично влиянию никеля
(рис. 161) п в модифицированном чугуне больше, чем в обычном.
1 Как ршдио из рис. ИЮ, чугун е меиыыш тцшктичиы.' тыо
(С -| 0.3 Si <3,7?(',) отличается более низкими свойстз,iяsi ( j', и П. что
Обьяен четен я данном wiy'iac меж де 11 др i ri i i oii формой графита. Неели моди-
фицирования чугун с низкой SBTeKTiiiiitdCTdio характеризуется уже более
высокими свойствами,
17*
L____
260
Свойства чугуна
Для повышения эффективности действия этих элементов не-
обходимо одновременное снижение содержания кремния, чтобы
не увеличились степень графитизации (иначе механические
свойства повышаются в малой степени):
Ni, %............ — °.7 О 1,1
SI, %............ 2.0 2-0 2.n -1/1 14
аЛ> %............ 100 103 104 130 160
Оптимальное же влияние цикеля и меди обнаруживается
при присадке их к половинчатому чугуну, когда графитизация
Рис, 162. Влияние хрома на механические свойства чугуна
в нем вызывается этими элементами, В этом случае повышают-
ся и прочность и пластичность чугуна.
Характерным для большинства легирующих элементов,
в особенности для никеля и меди, является то обстоятельство,
что они повышают главным образом прочность при растяже-
нии, сжатии и срезе и в меньшей степени — прочность при из-
гибе, понижая, таким образом, отношение
.'Значительно сильней влияют хром, молибден и ванадии как
в отношении повышения прочности чугуна, так и в отношении
стрелы прогиба.
При этом, как показали наши исследования, благоприятное
влияние хрома сказывается только до 0,5%, благоприятное же
Механические свойства чугуна
261
слияние молибдена — в пределах До 0,75—1,0% (рис. 162, ’163
и 164). Все эти элементы особенно эффективно проявляют свое
действие при шСпшм содержании углерода. Как высоки могут
быть механические свойства при легировании малоуглеродистого
чугуна (поело термообработки), показывают следующие данные:
с, % СГр, % Si, % V, % СГ>, гсг/.юи* г', кг/.ил1 /, .и,и Ив, кг/мм2
1,5 0,42 2,61 0,15 63 * 90 10,5 340
Параллельно со
статическими характе-
ристиками прочности
повышаются, конечно,
и усталостные, причем
соответствующий коэ-
фициент эквивалентно-
сти 3'Т£, г я* обычно не
изменяется легирую-
щими элементами, за
исключением молибде-
на, который его не-
сколько повышает.
При этом увеличи-
вается также сопро-
тивление усталостному
удару, И в этом отно-
шении особенно ин-
тенсивно действует мо-
либден (рис, 148), по-
вышение содержания
которого до 0,5% зна-
чительно увеличивает
сопротивление удару
Рис, 163. Влияние молибдена на механи-
ческое свойства чугуна
при многократном при-
ложении нагрузки. В том же направлении, хотя и менее интен-
сивно, действует никель и до известного предела (~3%)—медь:
Си, % ........................ 0,0 1,2 3,0 5,4 5,8
число ударив до разру-
шения .................' . 320 520 725 270 230
Вместе с тем циклическая вязкость чугуна понижается обыч-
но всеми легирутопшми элементами, зл исключением меди,
которая при небольших напряжениях (15—20% от ырстлелл
прочности) несколько повышает се. Это обстоятельство служит
одной пз причин применения медистого чугуна для коленчатых
валов и других подобных деталей.
262
Свойства чугуна
Максимальное использование легирующих элементов в от-
ношении повышения механических свойств возможно только
при правильном их сочетании. Это достигается удачной комби-
нацией
элементов: а) благоприятно влияющих на первичную
и вторичную кристал-
лизацию. б) препятст-
вующих ц способству-
ющих графитизации;
в) образующих раство-
ры с ферритом и це-
ментитом; г) повы-
шающих кристаллит-
иую и межкристаллит-
ную прочность,
Этим принципам
удовлетворяет, напри-
мер, сочетание никеля
и хрома, так как ни-
кель способствует гра-
фитизации
'1 иердый
феррит ом,
его, а хром
пуст графитизации, раз-
мельчает
графит и
стойкие карбиды. При
этом оба элемента сор-
битцзируют структуру.
Поэтому никель и хром, действуя совместно, особенно интенсив-
но повышают механические свойства чугуна. Оптимальное соот-
ношение между ними, как показывают некоторые исследования,
зависит от состава чугуна и скорости его охлаждения п колеб-
лется от 2 : 1 до 5 : 1 (табл. 19).
и образует
раствор с
упрочняя
препятст-
несколько
образует
Т а б а и ц а 19
Оптимальное соотнпщсние между никелем и хромом
Г.олсрл,1Н1|е S1 СнДь ржанне Сг, % Тндшнна ov.'i и ни, и 4 .ii.w
Ийлщсргм- I ЛГ-ПЧиСО- IIH Tl-Jl'i КрГМНПО] ий ’tyiyir ( чугун Н/.’ 'V-'-АЗ 1.1,3—Г>, i - - - лп ю | гл
Оги швеикс Ni : Сг 3:1 | 3:2 .3 :1 4 :1 5:1 2 :1 | 3:1 --1 :1
г
Механические свойства чугуна
263
Медь также повышает эффективность своего действия при
сочетании с элементами, препятствующими графитизации, на-
пример с хромом, молибденом или марганцем, тем более, что
при этом обычно повышается растворимость меди в твердом
растворе.
Молибден же, t)казываioifinii сравнительно слабое влияние
на графитизацию и образующий твердые растворы и с ферри-
том и с карбидами, можно комбинировать как с никелем или
медью, так и с хромом или марганцем. В литературе обычно
рекомендуются следующие Отношения: К1.'Мо=3:1, реже
2 : 1 или 1:1; С г : М» =1:1.
Большим преимуществом легированного чугуна, как было
указв’чо выше, является его высокая однородность. ’В этом от-
ношении особенно благоприятно влияние никеля, меди и молиб-
дена, с повышение.^! содержания которых однородность свойств
в разных частях отливок увеличивается:
То.пцняч сгенок, _и.«............... 25 50
Разиина в твердости пи bpiiiic.iю
на периферии н в центре, кг.'илР:
простой чугун .................... О 15
легированный (пике ген или
молибденом) чугун.............. О 10
75 i 00
15 30
10 9
Iln этой причине область соегшюи чугун;)
в структур-
ной диаграмме, еоогветстнующаи максимальным механиче-
ским свойствам зна-
чительно расширяет-
ся при легировании
никелем и другими
элементами.
В отношении же
остальных элемен-
тов можно отметить,
что в тех пределах,
в каких они встре-
чаются в чугуне, их
влияние весьма ог-
раничено. Некоторое
Рис 165. Влияние меди а;-; механический свой-
ства ферритного кавкогь чугуна
примененье имеет
иногда тиган, ре-
же ЦпркОЩШ И
алюминий, с|юсобствую1иш‘ графитизации п иршмепшоишеся как
раскислители, дегазаторы и модификаторы. При этом тигаи осо-
бенно полезен в пысокоуглеродпечом (.заэнтектнчеецом) чугуне,
где он препятствует обра шг.аппю пыли, а также н малоуглеро-
дистом чугуне, где он снособстиусг f рафптп launn. Нсско.'юко
повышают механические свойства также вольфрам, бор. церий,
264
Свойства чугуна
торий. Наоборот, сурьма, отчасти мышьяк, висмут, олово, ко-
бальт и некоторые ' другие элементы понижают механические
свойства чугуна,
Легирующие элементы в ковком чугуне применяются глав-
ным образом при производство чугуна пер.,-им него класса, когда
необходимо затормозить в топ пли иной мере вторую стадию
графитизации. В этом случае легирующие элементы, подобно
марганцу, повышают прочность, соответственно понижая пла-
стичность чугуна. Например, добавки 0,05—0,1% V, 0,3—0,7%
Ъ\о или 0,1—0.2% Сг способствуют получению перлитного ков-
кого чугуна. При производстве же ферритного ковкого чугуна
практическое применение в качестве легирующего эле.мента
получила только медь, способствующая, согласно литературным
данным, графитизации, размельчающая выделения графита и не-
сколько повышающая механические свойства (рис. 165).
5. ВЛИЯНИЕ ЖИДКОГО состояния
Перегрев, строение и состав исходных материалов и моди-
фицирование, определяющие жидкое состояние чугуна, оказы-
вают свое влияние, главным образом, на первичную кристалли-
зацию. В связи с этим оил в пзвостыой мере обусловливают
характер графитизации и механические снойстна чугуна.
а) В л и и и и е т е м и tp ат у р ы и с р е г р е в а. Увеличение
перегрева жидкого чугуна приводит
Темпедатурп nepgepefJa.
Рис. 166. Влияние темперлтурп перегре-
ва ;ы иехйчнчеекче свойства чтгу;ы
Шт разном ссыержаиик углерода
дуль упругости н твердости. Таким
к размельчению, а затем
к междеплрнтной кри-
сталл нзаццц графита. Ис-
следования показывают,
что механические свойст-
ва чугуна сначала уве-
личиваются с повышени-
ем температуры перегре-
ва, а затем уменьшаются
(рис. 166),
Согласно эксперимен-
тальным данным, повы-
шение температуры пере-
грева па 100° увеличи-
вает прочность чугуна ни
7—8%, причем парал-
лельно с прочностью по-
вышаются также его мо-
образом, перегрел жидкою
чхчуна является важным средством повышения качества отли-
вок тем более, что при этом, как показывает ряд литературных
данных, увеличивается однородность чугуна (рис. 167).
Механические свойства чугуна
* 265
Однако перегрев ле должен превосходить какой-то макси-
мум (рис. 166), выше которого механические свойства, в осо-
бенности ударная вязкость, начинают падать. Положение итого
максимума («критическая* температура перегрева) зависит от
Рис. 167. Влияние
температуры пере-
грева на однород-
ность свойств чу-
гуна в разных се-
чениях
Температура перегрева, Ч
состава чугуна, скорости охлаждения и условий Кристал,пнза-
ции. Все факторы, способствующие образованию междеидрит-
ного графита (низкое содержание углерода, быстро'.? охлажде-
ние, малое количество вычуждеиных центров кристаллизации
и г. Д.), передвигают положение максимума в сторону более
низких температур. В связи с этим результат!л перегрева зави-
сят ешс от ряда других моментов, определяющих жидкое со-
стояние чугуна (газосодсржанпс,
чего исследования во многих
случаях не обнаруживают ука-
занной закономерности,
Упомянутые перегибы на
кривых не наблюдаются при
производстве ковкого чугуна,
С повышением температуры
перегрева жидкого металла в
этом случае имеет место все
возрастающее переохлаждение
при кристаллизации и соответ-
ствующее размельченне пер-
вичной структуры белого чугу-
на, Поэтому, как показал
Г. Н. Троицкий, повышенно
температуры перегрева жидко-
гзключейня и т. д.), вследстзне.
Температуре перегреби, °C
Рис. 16S. Випиние тсмпег,)Птуг1Ы
nepcrpei! а 11 ;1 мех ж и: чее к иг спсш-
СГЗ.Ч Ki)|!|<,!!(> ЖЛЛ'Н.'!
го металла приводит к монотонному увеличению характеристик
про’гши'ти ii пластичности ковкого чету на (рис. 168).
б) В л и я и не н с. х о д и ы х м а т е р пало в. Содержание
газов и неметаллических включений, количество свял-шпого
266
Свойства чугуна
углерода и форма графита в исходных материалах могут иметь
заметное влияние на механические cnoifCTua чугуна.
Однако в отношении влияния (адов, п чае г поели кислорода,
существуют противоречивые мнения и литературе. В то время
как одни исследователи обнаружили пигнишспш* статических
croi'ic'jи чугуна с унелнчсчшсм содержания гиежфода, другие
ттьсрждшот противное, как это видно ни следующих данных:
'*% Л,.';, /, %
Пониженно свойств при присадке *
0э8 % окалины к чугуну........... П 24 33
Эти противоречия объясняются тем, что на механические
свойства оказывает влияние форма кислородных соединении.
Поэтому в некоторых условиях кислородные соединения, дейст-
вуя как зародыши и препятствуя образованию междендритяого
графита, могут повысить механические свойства чугуна, в дру-
гих же случаях введение кислорода эти свойства понюхает.
Ряд литературных данных показывает, что ие меныпсе значе-
ние имеет влияние других газов (табл. 20).
• Таблица 20
Влияние1 газовой атмосферы и перегрева на механические свойства чугуна
ГзЗси|9» ИреД1 135i>° Д П|ЮЧШЛТИ ^z/Ar.-U* И[-м rrcpi'rj'CBi- до 'г с м лердту рУ
1470° 15Ю° 16^0
Вакуум . . , . , 20 7 20.(5 21 7 20,2 20 1 23,4
Воздух 26,4 25,0 26,6 2й, 7 26,4 26,7
Азот, содержащий НгО 27 2 27,4 29,6 '— 28 8 25,2
Водород 28,8 24,3 25.4 27,2 29,6
Окись углерода . 27,4 — 23.9 24,6 26,3 30,6
Из табл -20 видно, что при плавке в вакууме получается
чугун с низкими механическими свойствами. Плавка в атмо-
сфере воздуха увеличивает прочность чугуна, но повышение
температуры перегрева tic оказывает при этом благоприятного
влияния. Такое же повышемие механических свойств иаблю
.'.бе тс я ири плавке в атмосфере азот,я, водорода и окиси угле-
рода. При этом, в зависимости от состава атмосферы, кри-
вая г'.зменени.я механических свойств г повышедшей темпера
туры перегрева образует максимум (N..) или минимум
! [('ш'Торор зиачеппе имеют также содержание связанного угле-
рода и форма графита ш'хо.тиых материалов, от которых в из-
вестной мере зависят количество и форма графита в отливке.
Механические свойства чугуна
267
Поэтому введение в шихту древесноуголъных, передельных или
других специальных чугунов улучшает механические свойства
отливок и повышает их однородность. По этой же причине, кик
показывают исследования Г. II. Клопкнна, увеличение процент;!
стали в шихте шшыншет прочность чугуна даже в том случае,
когда химический гостив металл,'! не изменяется (рис. 169).
Высокие свойства подучаются и при ведении плавки па пе-
редельном чугуне, как это предложено Н. А. Бариновым и
И, В. Волковым.
Предельный Сталь, Возврат, FcSi, С, Si. 5_6, аь, /8(ю
чугун, % % % % % % кг./,«Дэ кг/мм3 иг/.и.и3 .«и
40-42 27- 36 До 20 12—23 3,2 2,0 33,4—35 110—124 53,0-54,2 3,3
Точно так же и состав шлаков, ока-
зывая влияние на структуру и графи-
тизацию чугуна, соответствующим об-
разом изменяет еч’о механические свой-
ства. Например, согласно литератур-
ным данным, восстановительные шла-
ки, способствуя переохлаждению, по-
нижают механические свойства мало-
углеродистого чугуна вследствие выде-
ления свободных карбидов пли меж-
депдритного графита и в то же время
повышают механические свойства вы-
сокоугле род истого чугуна из-за раз-
мельчения графита (рис. 170).
Исследования Э. Я. Храпковского,
Ф. Н, Тавадзе, Я- А. Смоляницкого п
др, показали повышение механических
свойств при обработке чугуна магне-
зиальными шлаками, а также при воз-
действии на чугун сначала карбидны-
ми, а потом глиноземистыми шлака-
ми, например:
7ft,
До (ч'работкп пьыкаш!......................... 22
Посте обработки in (|ЫрыЫИые,
1!()г<14 iJHiHojeMiicTbic)..................... 38
Рис. 169. Влияние количе-
ства стали п uiiixre на проч-
ность чугуна
су, лт/л/л“
41
68
/, Л1М
4,0
4,5
в) Г> л и я н н е м о д п ф и и и р о в а и п я. Смысл модпфипа-
рошишщ как способа повышения мех.т.шчсских его йети чугунн.
заключагтся, сланным образом, в воздействии на формы7 гра-
фита, Прн модифицировании с целью получения пластинчатого
графита Происходит резкое увеличение степени графптпзашт
268
Свойства чугуна
малоуглеродистого и малокремнистого чугуна, а также устра-
нение склонности к междендритной кристаллизации графита
и к образованию транскристаллизационного (лучистого) изло-
— ОкислитпелЬнЫй шлак
Рис. 170. Влияние состава шлакоз на механические свой-
ства чугуна
Поэтому благоприятное влияние модифицирования иа прочность
чугуна с пластинчатым графитом выявляется, главным образом,
в двух случаях: 1) когда исходный чугун характеризуется
низкой склонностью к графитизации, 2) когда условия кристал-
лизации благоприятны для образования междендритного гра-
фита и лучистого излома.
Модифицирование чугуна с иелыо получения пластинчатого
графита оказывает поэтому тем большее влияние, чем больше
склонность к переохлаждению (меньше содержание углерода и
кремния, больше количество стального скрапа в шихте, выше
перегрев жидкого чугуна, быстрее охлаждение и т. д.). По мере
)'величения всех этих факторов, вызывающих возрастающее пе-
реохлаждение при кристаллизации чугуна, механические свой-
ства сначала возрастают, достигают максимума, а затем падают
(рис. 171).
Модифицирование, устраняя междендритную кристаллиза-
цию графита, уничтожает максимум на кривой, и мехипичеекме
свойства чугуна с пластинчатым графитом продолжают возра-
стать. Таким образом, модифицирование дает возможность
в большей и лучшей мерс использовать факторы, повышающие
механические свойства чугуна, s том числе и легирование
(рис. 160, 162, 163, 164).
Механические свойства чугуна-
269
L В качестве присадок в ковш при получении чугуна с пла-
* стинчатым графитом применяется в настоящее время большое
> количество модификаторов (силикокальций, ферросилиций,
ферроиирконнй, силикоалюмикий и т. д.). Во всех случаях ма-
, Рис. 171. Схема влияния пере-
Тохлаждения и модифицирования
на механические свойства чугуна
35
35
15
ПО
110
5
3
10
50
М
30
30
ксимальная прочность по-
дучается при определенном
личестве модификатора,
вКЙбеснсчивающем наиболее
благоприятную форму гра-
фита и перлитную структу-
у основной массы чугуна,
С дальнейшим увеличением
количества присадки в ковш
!$тепень графитизации позы-
виается, выделения графита
‘Укрупняются и прочность
Чугуна, особенно при растяжении, понижается. Стрела же про-
Дч.,#Йба продолжает увеличиваться, как это видно, например, из
работ К. И, Ващенко (рис, 172),
Необходимым условием благоприятного влияния присадок
/. На механические свойства является надлежащий выбор состава
?' чугуна, близкий к «критическому» по содержанию углерода,
Который без модифицирования дал бы в данной отливке бе-
:ДЫй, половинчатый или лучистый излом, После модифицирова-
гоо
гм
зооR-H-f] Ж7ТЯ Щ И |141
О ОА 08 12 ifi 3,0 2,0
КоличестОо присадки ScAlr%
Рис. 172. Влияние количества при-
садки с ил и ко алюмин ия на механиче-
ские свойства чугуна
ния излом становится равномерно серым, При этом все меха-
нические свойства повышаются, в том числе стрела прогиба
и ударная вязкость, Так, например, присадка 1% сплава соста-
На 6% Л|, 12% Si и 80% Си дала следующее повышение
'? Механических свойств;
°ь, %
+ 25
’; %
+ 22
1 °/
J I /о
+ 28
“ft. %
+ 65
270
Свойства чигцна
Модифицирование приводит также к повышению однород-
ности, чему в значительной мере способствует пониженное
содержание vг топота и кремния. Это влияние модифицирования
' 1 " ........................... ЦНКИТМЛШа.
.’>0 I по 200
;«•> ,т_> 27
низкая чувствительность
иллюстрируется, например, исследованиями
Толншил отливки, мм Р0
кг/мм*............ 38
Высокая однородность свойств и
к скорости охлаждения делают модифицированный чугун ион-
ным материалом для машиностроения-
Сравнение влияния различных присадок в ковш дает пест-
рую картину, так как результаты модифицирования зависят не
только от типа присадки, по и от многих других факторов (со-
став чугуна, перегрев, состав шлаков и т. д.). Во всех случаях,
Рис. 173. Сравнительное влияние разных
модификаторов на предел прочности при из-
гибе при различном содержании кремния
как показали иссле-
дования автора, ка-
чественный по со-
ставу силикокальций
дает паилучшие ре-
зультаты (рис. 173).
Результаты мо-
дифицирования в
значительной мере
зависят от содержа-
ния is чугуне газов.
Это легко объясни-
мо образованием со-
ответствующих сое-
динений, играющих
роль зародышей.
В литературе реко-
мендуется, напри-
мер, предваритель-
ная продувка жид-
кого чугуна углекис-
лотой пли кислоро-
дом пли соответст-
вующая приезд к;'
окислов с последую-
щим раскислением и модифицированием. Это дает, по исследи
шншям И. II. Богачева, повышение механических свойств.
<- %
3, [2
И С \ t JJ i I ЫН чу [-уг1| . , .
Ipic.ie криду ы<ц G3 и
ipttc.ijKii модификаторе!!
, ‘?/о
* b> ICTMfC мг ; ..
Sl’ ''° лт/.ил- -,f-4(6CT илл-
1 1-г ,, I'CT-l)
h17 3,8 0,62 7
2,80 1,30 71,6
16,5 1,0
Механические свойства чугуна
271
Однако опыты, проведенные, автором совместно с А, Я. Иоф-
фе, показали, что не все тазы действуют в этом отношении
одинаково л что и а и б о л е с эффект н is и о й я в л я е т-
с. я п ,р е д в а р и т с л ь л а я
п р о д у в к а ч у г у и а ц з и-
т о и и водоро Д О м.
Продувка же кислоро-
дом и углекислотой не дает
преимуществ (рис. 174), что
ставит под сомнение обра-
зование зародышей графита
окислами.
Что касается модифици-
рования с целью получения
глобулярного графита, то
этот процесс проводится пу-
тем присадки церия или
магния, а затем ферросили-
ция. Особо большое значе-
ние имеет модифицирование
магнием, позволяющее ис-
пользовать пс только заэв-
тектнческий, ио и доэвтек-
тический чугун. Этот спо-
соб впервые разработан в
СССР (Б, С. Мильманом
Рис. 174. Вл |ынцс предиарптслипыт
продувки ЧУГУГГИ О;т, СО;, N; >1 Но
на er<i MCX3H!bteci<ue свойства:
1 — без продувки; 2 — not.te пролупки Ns;
J — после продувки ||г. 4 — после продувки
СОе; 5 -- после продувки Оа,
и Др.). Он дает возможность
использовать обычный ва-
граночный серый чугун в
противоположность англий-
скому способу присадки церия, требующего применения специ-
ального заэнтектичсского низкосернистого чугуна. Механические
свойства такого
чугуна с глобулярным графитом оказываются
очень высокими,
7(,, л-г/.и к 3
10—80
й> % а'ь, кг/мм-
2—5 9(1—150
120-2(10
а%. кгм/с.и*
(<кз каллеза)
2-3
Однако чем выше содеришнпе фосфора, и менее удовлетво-
рите.! ыи,| условия питания образцг'ш, тем шике получаемые своц-
стии. Влияние углерода в этом чугуне имеет меньшее Значение,
точно так же, как и толщина отлпшш.
Лил я стр, мм .... 15 20 .3(1 .'Ш 75
, ег.-'.и.е1 , , - . . . 05 02 52 50 5(!
На , ю'/ы.ч-.............. 254 2-'.>'5 220 2Ш 201
272
Свойства чугуна
Следует отметить, что модифицирование, как метод повы-
шения механических свойств, получило применение, главным
сбрааом для серого чугуна. При производстве ковкого чугуна
роль модификаторов о'грапнчивается главным образом ускоре-
нием процесса отжига вследствие увеличения числа Нейтрон
кристаллизации. Если при этом происходит более полная гра-
фитизация чугуна, то механические свойства его, 13 особенности
пластичность, также повышаются. Например, в практике одною
завода в результате модифицирования путем присадки к жид-
кому чугуну 0.03% А1 механические свойства отливок после от-
жига значительно улучшились:
нг/м.и.2 Вэ, %
До модифицирования .... 32—35
После модифицирования . . 33—36
5-10
9—12
6. ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Термическая обработка чугунных отливок имеет целью:
I) снятие напряжений, 2) смягчение, 3) повышение твердости
и 4) повышение механических свойств, В противоположность
.факторам, определяющим жидкое состояние, термическая об-
работка, воздействуя па чугун в твердом состоянии, видоизме-
няет главным обритом сто осшншую металлическую массу.
Форма же графита остается практически без изменения, и толь-
ко количество его может несколько увеличиться или умень-
шиться в зависимости от режима термической обработки. Это
положение по существу справедливо даже для отжига белого
чугуна (получение ковкого чугуна), так как при этом обра-
зуется углерод отжига, а не изменяется форма существующего
графита.
а) Снятие напряжений. Термическая обработка для
снятия напряжений сводится обычно к низкотемпературному
отжигу при 500—600е. Увеличение температуры отжига способ-
ствует более полному снятию напряжений, но в то ж_е время
опасно с точки зрения понижения прочности чугуна:
Температура отжига, “С 480
-й, яг/члР........... 17,6
c'i,r кг!мм*........- 41,6
540 595 650 7(Ю
17,6 16.8 14,0 ]3,4
41,4 405 35,8 325
Понижение механических свойств при низкотемпературном
етжпге объясняется процессами графитизации п днферецци.ж
пин перлита, которые протекают тем интенсивнее, чем выше
температура. Однако, несмотря на понижение механических
свойств металла, прочность всей отливки в целом при этом
повышается вследствие уменьшения внутренних напряжений.
МехссНИ'Шские свои ста а ч if? и на
273
Вместе с тем, как показывают исследи ват: я, низкотемператур-
ный отжиг (321.)- 42%) может привести и к повышению меха-
нических свойств металла, если этому отжигу подвергнуть чу-
про-
ми к-
тун, выплавленным с и рис ал кеш стального скрапа в шихту
(рис. 175).
Повышение мех;пп(чсскцх свойств металла наблюдается
также при ’.шшют,.;'ion,атурном отжиге чугуна с игольчатой
структурой. Например,
чугун состава 2,3% С,
2,3% Si, 2,0% Ni и 1,3%
Мо показал после отжига
в течение 5 час. при 320—
□70° повышение прочно-
сти (%,) с 50—57 до 62—
74 кг/лш3.
Это объясняется
цессами уменьшения
роскоппческпх напряже-
ний, удалением газов и
превращением остаточно-
го аустенита и тетраго-
нального мартенсита при
соответствующем тормо-
жении распада карбичон.
Такое применение низ-
котемпературного отжига
является весьма удобным
и экономичным средством
повышения механических
свойств.
б) Смягчен и е.
Процесс смягчения обыч-
но имеет целью повыше-
ние обрабатываемости,
что достигается соответ-
Рнс. 175. Влияние низкотемпературного
отжига на механические свойства чугуна
при разном количестве стального скрапа
в шихте
• О % стали
-----3ti >-
-----&7 *
ствующим распадом или сфероидизацией карбидов. В качестве
термической обработки для смягчения чугуна применяют отжиг
того или иного режима в зависимости от состава и структуры
чугуна. В результате процесса смягчения прочность чугуна по-
нижается:
И с К Curtail Itl'yrr
(•M)7oG, J Si)
Ю,. 2% I
кг,и/с,«г 0,3
Hri , kj/.k.v2 107
18 Зак. 805
Ot>kki при температуре 7<М)Э
2 пяс. 1 час. П 1J3CN н Ч»с Ы <«<
23,5 21,5 20,0 20,4 Др,!
0,3 0,3 0,3 0,4 (1.1
107 17’Л 137 137 132
Свойства чугуна
Поэтому отжиг; как термический обработка) ire представ
ляет обычно интереса с точки зрения повышения механических
с во к он; серого чугуна. При отжиге же белого или полозипча-
ри'о чугуна происходит распад струкгурпо-сеободных карбидов,
н механические свойства повышаются-
и) Повышение твердости. Повышение! твердости чу-
гунных отливок может представлять самостоятельный интерес
(увеличение сопротивления износу) безотносительно к другим
механическим свойствам.
Для повышения твердости пользуются закалкой или норма-
лизацией, При этом с повышением температуры закалки и ско-
рости охлаждения твердость увеличивается только до извест-
ного предела. Дальнейшее увеличение скорости охлаждения
может привести к образованию аустенита, вследствие чего,
твердость уже понижается Естественно, что температура закал-
ки должна быть выше критической, так как выдержка при тем-
пературе ниже критической приводит всегда к понижению твер-
дости, независимо от последующей скорости охлажденияИссле-
дования Г. Н. Троицкого показывают, чю с повышением темпе-
наблюдается понижение твердости,
несмотря на последующее быстрое
охлаждение отливок в воде. Даль-
нейшее увеличение температуры за-
калки пр я водит сначала к повыше-
нию твердости, а затем к новому ее
понижению (рис. 176).
Максимальная твердость полу-
чается после закалки при темпера-
туре около 850’. Однако, при нали-
ратуры нагрева до 750°
Температура закалки?}
Рис, J76, Влияние температуры
закалки на твердость чугуна
чин элементов, понижающих крити-
ческую точку (Мп, Ni, Си), опти-
мальная температура закалки соот-
ветственно понижается, при высоком же содержании кремния
или при ферритной структуре и грубом графите температура
закалки должна быть повышена. При этом легирующие эле-
менты (Ni, Сг, Мо), замедляя скорость нреврашепия, допускают
применение меньших скоростей охлаждения, в частности — за-
калку в масле нлн даже на воздухе, вместо закалки в воде, Это
1 В некого pi.IX e..iv;ioirx, fi ;i n p п ме p irpo ст'арычпг аустенитного чугунр, itoi;-
iiiniiie тяердггети opr>[icxo;iiir п ррн нит коте мое ратур ноя отжиге вследствие
npoiipiinieiiiut а усч'енптп я обр а зо и a i и: я мартенентл:
Тсмперту[)11 "Т;|,ц1 J, "(J IKx.'.Mi.iii Ш г-1 Ш о 0О 7<Ю 8(W ГЮ
чугун
II 1{ , «: ни1 1Ю Ы|) .Ц.-. 418 340 17!) |.1|
] кШшиенг-'о и, HH.rFiH'nuc пипы octo бы 15—) па ГЫ год,-; стен и нои
лг-реа,’оИ'-м wpKC.iiiin (3—К пас |||>п ЬОО’’') медистого путлы. в сссДеи-
поста к о и к оО’.
275
имеет большое значение с точки зрении уменьшения напряже-
ний при закалке и устранения трещин г. отливках.
Абсолютное значение твердости чугуна после закалки (:<а-
калииасмосп.) не. превосходит обычно 506 1!ц и только
в редких случаях, при благоприятной структуре и высоком со-
держании легпру io 111 их элемсп'го’.’,, достигает 600 //Однако
следует отметить, что закаливаемость чугуна в сравнительно
небольшой степени определяется наличием легирующих эле-
ментов. Поэтому и в простом чугуне можно обеспечить высо-
кую твердость при подборе достаточно большом скорости
охлаждения, Существенное значение имеют'при этом состав
и структура чугуна, в особенности форма графита.
Экспериментально установлено, что высокое содержание
углерода и кремния препятствует получению чугуна с большой
твердостью, Это объясняется не только медленным растворе-
нием грубого графита в аустените, но и увеличением содер-
жания кремния, вследствие чего критическая температура по-
вышается и иногда не достигается при нагреве, Кроме того,
имеет значение и происходящий в этих условиях, несмотря ма
большую скорость охлаждения, распад эвтектоидных Карбидов-
Чтр касается строения основной массы чугуна, то оно имеет
меньшее значение для процесса закалки. Достаточно, например,
укачан., что фор ритмы й ковкий чугун хорошо воспринимает
закалку. Исследования показывают, что 'гвердчеть после за-
калки практически не зависит от содержания связанного угле
рода в исходом чугуне:
<Дв. %............,.
Нп до закалки, кг/лЫ(- .
/7д noc.’ic закалки, кг/.\::г"
0,0 0,2 0,5 0 7
163 196 207 196
412 390 380 423
Температура и выдержка при закалке должны быть при
этом тем больше, чем грубее выделения графита.
Большое значение имеет также прокаливаемость чугуна,
характеризующая распределение твердости по сечению отлив-
ки. В этом отношении, как показывают исследования, боль-
шое влияние имеют легирующие элементы (рис, 177). Легиро-
вание чугуна молибденом, хромом и никелем значительно
увеличивает его прокаливаемость, При этом так же, как
и в стали, играет роль величина зерна, с увеличением которой
пр с; к а л 11 г. а о мост ь повышается.
Высокая твердость поверхности достигается также посредст-
вом специальных видов термической обработки: поперли о с т~
н о и а к а ,ч к и и а з о т и р о ft а и и я.
Поверхностная закалка отливок по своим теоретическим
принципам, влиянию элементов и других факторов ничем не
отличается от обычной закалки. Разница заключается только
18*
Свойства пцгина
и том, что на»реи носит местный характер ц производятся кисло-
рО/и(и-;1цеп1Лс11СЩЫМ (или ВОДОрОДИЫМ) ПЛМиНсМ ИЛИ ТОКОМ ВЫ-
eoKoii частоты. Охлаждение пропанолrrjcr,j .ци',,, водой, подавгц-
мой через особое устройство, либо 1i1 f ж еле ж; ।; ц,- fl массой метал
ищ если критическая скорость охлаждения чугуна достатпчие
но пи, жен а соответствующим дегированаем.
Закаленный слой простирается обычно -ли глубину 1,5--
4 ,« и имеет твердость, характерную для нормальной закалки
(450—600 7/д), со следующим распределением ее по глубине:
Глубина от ноиерхио
сти, мм...........
Нв , кг/мм’ . , . ,
0,5 1,0 1,5 20 25
540 540 540 340 2ои
Центр
250
Азотированию (насыщению поверхности металла азотом)
подвергается обычно чугун специального состава, легирован-
ный алюминием и хромом, а иногда молибденом, ванадием
конца, мм
Рис. 177. Прокалив а емость про-
стого и легированного чугуну (по
способу Тирионой закалки)
и никелем, например: 2,5—2,9%
С; 1,5—2,0% Si; 0,4-1,0% Мп;
0,8—2,0% Л1; 0.2—2,0% Сг; 0,0-
0,75% Мо; до 0,3% V.
После выдержки в течение
00—90 час. в атмосфере аммиа-
ка при 5(Ю -550п чугун, благода-
ря образованию прочных нитри-
дов, приобретает поверхностную
твердость от 600 до 1000 (по Ви-
керсу) при глубине азотирован-
ного слоя до 0,4 ,«м. Наличие
хрома, молибдена и никеля пони-
жает температуру процесса и
уменьшает рост чугуна, происхо-
дящий обычно при азотировании.
Эти элементы препятствуют так-
же образованию поверхностных
трещин, Максимальная и наибо-
лее равномерная твердость обрэ
зуется при температуре 550°. Глу-
бина же проникновения азота тем
больше, чем выше температура
процесса, чем меньше
пне кремния и чем больше содержание хрома.
г) 11 о в ы in с и и с мех а п н ч неких с н о н с т в.
еодержа-
Повыше-
нис прочности чугуна при термообработке достигается лучше
всего путем закалки с последующим отпуском, что обеспечи-
вает соответствующую дисперсность перлита и снятие внут-
.Мехвническве свойства чугуна
ренних напряжений. Сама закалка уменьшает прочность чугуна
тем больше, чем выше температура. При последующем отпуске
прочность чугуна иш'ышагтся, достигает максимума при тем-
пературах отпуска 350-">()(н зависимости от состава чу-
гуна, и затем понижается
(рис. 17'8), Твердость же
чугуна пе меняется до тем-
пературы отпуска ~ 200°, а
затем падает,
Абсолютное значение
максимума прочности зави-
сит от температуры закалки,
, толщины отливок и состава
чугуна. Максимальная проч-
1' ность для тонких 20-лиг
% круглых образцов получает-
> ся при температуре закалки
/'.около 8003. Для более тол-
стых отливок температура
' закалки должна быть по-
вышена до 850- 870°. Эта
Рпс. 178. Влияние тсмпсратуцм за-
кидки и чгьуск.з ini прочность чугуна
о п т и и а л ь н а я п р о ч-
ность при и р а нпл ь п о
в ы б р а п н о ii т с м н о р а-
туре з а к а л к н значите л ьно вре а отходит исход-
ную, но всегда соответствует более высокой
твердости. При одной м той же твердоеги характеристики
прочности, в особенности мало отличаются от исходной.
Такая зависимость между прочностью и твердостью объяс-
няется тем, что прн термической обработке форма графита
остается без изменения, а основная масса чугуна действует
более или менее идентично на указанные характеристики. Сле-
дует отмстить, что прочность при растяжении после закалки
й отпуска несколько превосходит исходную даже Яри одной
и той же твердости. Стрела прогиба и ударная вязкость,
наоборот, чаще всего не достигают исходных значений
(табл. 2П,
Усталостная прочность также повышается после закалки и от-
пуска, но в мгиьпгей степени, чем .торалтернстшш статической
прочиоезт:; поэтому соотвсгствуюшие котршшинты чкинпалептцг:-
'сти шчщ.'кшотся:
h\'/ U.1T- "Г1,п,
До го [’ м: ыб ра б иг к, ।........ 34 (1.44 И, 3 i
После ыказки :: отпуска........ 'j I (),33 (i.'23
2 ей
Свойства чцецна
Однако ирг, эффективном снятин напряжений усталостная
прочность .может повыситься поело закалки ц отпуска даже
в большей степени, чем предел прочности при растяжении.
('-тсдуо.т также отметить, что сопротивление многократным
Ударам очень резко возрастает при закалке и отпуске:
.Закалка с 8.>0’,
отпуск при 450°
240
Закалка с 850°,
innvcK при 050°
1000
Термообработка Нормализация
Л^, число ударов 15
Рис. 179. Эффективность термической
обработки в зависимости от количества
стального скрапа в шихте
Модуль упругости и ве-
личина пластических дефор-
маций уменьшаются при за-
калке, но затем возрастают
цри последующем отпуске.
< Эффективность закалки и
отпуска, как и других ви-
дов термической обработки,
в значительной степени за-
висит от формы графита и
содержания углерода, крем-
ния и фосфора в чугуне.
При высоком содержал пн
указанных элементов, гру-
бом графите н ведении плав-
ки на шихте без стального
скрапа чугун может вовсе
не принять закалку, и по-
следующий отпуск приводит
только к понижению проч-
ности. Наоборот, при низ-
ком содержании углерода,
кремния и фосфора, мелком
графите, высоком перегреве
Таблица 2!
Относительное изменение механических
свойств при закалке и отпуске, °C
Механические cuofiCTiia Иска- ны “г чугун Зака- л е 11н ы н чугун Чугун» о'г/]yiIie?tii]JBT при температуре
00 200 31'1 1 4Е0 1 53CI ) t»i 1 7Ю 1 1 _ I _
11И , Ж’/.ПИ" 1 220 515 515 4C>1) | .310 280 220 190
i OKI G7 72 133 113 ]3S 11T цы
с‘{), 11 0 J p 1 100 ЛО — 8!) . — 105 Ni -
/. . Illi) 40 — 1 U‘! So 7 i —
/iJ - - ]0() 65 71 81 | 1 b.O 44 HI
Механические свойства чугцна
жидкого чугуна или присадке большого количества стального
скрапа и шихту эффективность влияния закалки и отпуска, со-
гласно МНО! <>4ПСЛСЦ 11мм ЛППЧШТУРНЫМ ДаПНЫМ, СИЛЬНО ВО.ЦШ-
стаст (рис. 179). Даже при одной п той же твердости, прочность
чугуна при этом заметно превосходит исходную. Высокие меха-
нические саойстна, согласно исследованиям Г. Н- Николаев:!,
Рис. 180. Межшяческпе свойства легированного чугуна после закалки
и отпуска:
/• — исходный чугутг; - — иормализозанний; S — закаленный в отпущенный
получаются также при закалке и отпуске легированного чугуна
(рис. 180).
Максимальные механические свойства получаются 'при наи-
более бла гоп ранги oii глобулярной форме грифита в сочетании
с TcpMtioOpnnoTKui), < Дссноч । ша к hi :сй oi гп i fa ал f ,i i у г > етру i; i у py
оспчП’аий металлической массы. С -лл! целые не кодят иногда
на 11 о,.и юн 11 ч итого или даже белого чугуна с п л следу н л не и тер-
мообработкой, состоящей па графнтшашш, закалки п < л пуска.
Как иелгки могут быть при такой термообработке (например:
280
Свойства чугуна
З-часоВон отжиг при 900°, охлаждение на воздухе до 765°, за-
калка о масле и отпуск при 735"1) механические свойства, вид-
но из следующих данных:
С, Si, u/o 3*> <7, % Uls, кг^ММ2
2щ 1,65 73—91 3—7 22.’—275
Такие же свойства могут быть достигнуты при термической
обработке модифицированного чугуна с глобулярным графитом.
0S2 Ц75 0,47, 4® (33 (24 Ц78 , 0,75
Углерод ceoSagnuu, -р Углерод свободный, %
Рис. 181. Изменение механических свойств ковкого чугуна в завггсимостя от
температуры отпуска после закалки и нормализации
Практическое применение закалки и отпуска встречает
серьезные препятствия вследствие образования трешип на
сложных и больших отливках из-за низкой пластичности чу-
гуна. Поэтому во многих случаях ограничиваются нормализа-
цией (охлаждением на воздухе)- Пссле.икшипя автора, проие-
Щ'Ы.нж' совместно с И. И. Горюновым, по изучению механиче-
ских скойети ковкого чугупи inx'vTo .шкалки п иормшшзапин
пошюыжпог полную примени мости последнего метода (рис. LSI).
мес;е с чем глеллет иметь виду, что нормализация может
быть .T-',ci-iwiiio ''ффектиггиоп только в условиях хорошей tipi>-
кал11Ш1СЩ><'ти (мелкие отливки, легированный чугун, раздроб-
Механические сишссва ч^гнна
281
ленный графит) — иначе твердость, а следовательно, и проч-
ность чугуна могут вовсе не повыситься в условиях недоста-
точно быстрого охлаждения.
7. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ, ТЕХНОЛОГИИ
ФОРМЫ И ДРУГИХ ФАКТОРОВ
Механические свойства чугуна в значительной мерс обусло-
вливаются скоростью охлаждения отливок, а также условиями
питания и уплотнения металла.
а) Влияние толщины отливки. Выше указывалось,
что приведенная толшина отливки является основным факто-
ром, определяющим скорость охлаждения и характер кристал-
лизации чугуна, особенно первичной. Поэтому свойства чугуна
р в значительной мере зависят от толщины отливки, что количе-
ственно выражается в общем виде уравнением (123). Это озна-
чает, что с увеличением толщины отливок прочность их пони-
• жается (табл. 22 и рис. 182) Г
1 Т а б л и ц а 22
Зависимость механических свойств от толщины отливок
Характеристика прочности Диак г । [i кр\ i'ji иги образца, w
G,i> (\fj Ь ,0 'л! ,(J зого
ад, тЧ.а.хС- ........ 35.0 25 г6 21.6 17.5 15,6
а—Ь, лт/.ч.к2 101 о 71,5 58,0 44,0 55,5
Характеристики же пластичности — стрела прогиба (/), ве-
личина пластических деформаций ( ж., ) и ударная вязкость
(ак) — при этом повышаются вследствие увеличения степени
графитизации п повышения стабильности структуры.
Слияние толшпны стенок отливки на механические свойст-
ва чугуна определяется, главным образом, соответствующим
изменением условии первичной кристаллизации, что подтвер-
ждается исследованиями Г. Н. Троицкого (рис. 183).
Как видно из рис. 183, образны разного диаметра характе-
ризуются одинаковым падением прочности в сыром ц отожжен-
ном (на феррит) состояниях- Между тем вторичная структура
всех отожженных образцов была одинаковая (феррптоая' п>’-
' ] жг 11 а яс 111, ( Mcxuriii'it'Cliifx ('ikiinTi, [pin. i lUXacTca, an ai'CJii’
Г, И. ivrcuKinta, и не ccac'iiaui гтг.'ки'.пк. I I.-.iiiaor’p и 1Д1-,'.!.!; орто- /
® средасм upriiuTi, елгдучрцес и.чмпр’аж' г ж; i'i ста: /
Kpaft Полов||ца рюртоа 1/
?ге п.'м :01J 8.5 /
Свойства чугуна
зависимо от толщины отливок, — следовательно, свойства чугу-
на ооусловлоиы только процессами первичной кристаллизации.
I (пятому нужно полагать, что в сыром состоянии (кривая 1)
Рис. 182, Влияние толщины отливки
на механические свойства серого чу-
гуна
падение прочности почти в той
же мере определяется первич-
ной кристаллизацией, как и в
отожженном (кривая 2).
То же подтверждается пра-
ктическими данными при про-
изводстве ковкого чугуна, где,
несмотря на одну и ту же фер-
ритную структуру, механичес-
кие свойства, в особенности
п \ падают с увеличением
.диаметра образцов (рис. 184).
В данном случае исринчная
крпс.таллцзацни оказывает влп-
Рис. 183. Влияние толщины об-
разца на прочность чугуна в сы-
ром (!) и отожженном (2) со-
стоя НИЯХ
Рис. 181. В.нншие толщины отливки
па механнчсскпе свейетоа кош-юго
чугуна
яшк: не только на прочность, но н па пластичность чугуна.
3iTi:iici;Moi'i!> механических enoi'icTi’ от толпшпы стенок отли-
вок яювпяч'я функцией состава чугуна и других факторов. Как
указывалось, углерод, кремний и фосфор увеличивают. а ни-
i
Механические свойства чцгуна '
283
кель, молибден, отчасти хром и медь уменьшают эту зависи-
мость.
Благоприятное влияние нл однородность онойсти оказывают
также перегрев жидкого чугуна н модифицирование- Это влия-
ние тем больше, чем выше свойства чугуна.
б) В л и я н и с т о лцерату р ы залив к и, О влиянии
температуры заливки па механические свойства чугуна в лите-
ратуре существуют противоречивые мнения, Во многих случаях
образцы, залитые при высоких температурах, характеризуются
более низкими механическими свойствами вследствие замед-
ленного охлаждения. С другой стороны, повышение темпера-
туры заливки часто имеет своим следствием получение более
плотных и здоровых 'образцов, благодаря чему механические
свойства могут повыситься.
Максимальные механические свойства получаются поэтому
при какой-то средней температуре заливки, зависящей от со-
става чугуна и скорости охлаждения:
Температура заливки, *С . . .
°/о .....................
Чем ниже содержание
углерода и кремния в чу-
гуне и чем тоньше отлив-
ка, тем выше оптималь-
ная температура заливки.
Наоборот, ц толстостен-
ных отливках температу-
ра заливки должна быть
соответственно понижена
во избежание получения
грубой первичной кри-
сталлизации.
в) Влияние тех-
нологии формы и
других факторов.
Технология формы в из-
вестной мере определяет
скорость охлаждения н
условия кристаллизации
металла в отливке, а елс-
доватслыго, его механи-
ческие свойства.
Выше указывалось,
что с у(.:е..’шчепием сьюро-
ИЗО 1230 1270 1300 1340 1380
100 104 105 114 115 105
Рцс. 185. В.игшие материала и подогрел*
формы на 11рОЧ 1Г : ГТК 'IVrViKi:
1 — термически y;iyi|iiirni<m1 ’n/ryn; 2 — пср.-нптг^А
чугун; 3 — фру|;)|{Ти|,:ц чугун
сти охлаждения характеристики
ла прогиба ,ч ударная вязкость
прочности повышаются, п стрс-
понпжзются. 'Гак действует, по
244
Свойства Hiiai/HZ
свидетельству многочисленных литературных данных, примене-
ние металлической формы вместо песочной и сеи^сты вместо сухой
н подогретой (рцс. 185). При этом механические свойства почти
в о,:шпано7я.щ степени поннж.тктгея н чугунах с ферритной и пер-
rl" ' следует, что указанные факторы
главным обрашлт, за счет измене-
литной структурами. ПФ этого
те
Рис. 186. Влияние плат-
ности формоиочпых сме-
сей на мехлинческкс
свойства чугуна
/20
НО
/00-
SO
до
г
Л
70
SO
^50
«7
5ок илЬное литЬе
после закалки и
\ у отпуска
\j?итдв S лесочлу^'.
., , , \шорму после ~ |
-КвкилЬн- \$иеалки и от- |
литепосле\ / лг>гкл I
Г отЖигаХ Щ™3
JO
20
10
Jlurnbe S песачную
форму после аттсиаи
J________L
°3,0 3,5 kQ Ц5 5fi 55 50
Углерод т- кремний, %
Рис. 187. Влияние металлической
формы на механические свойства
чугуна разного состава после за-
калки и отпуска (образцы диамет-
ром 20 мм)
обе характеристики резко по-
ния первичной кристаллизации
и формы графита и чугуне.
По этой причине, как показы-
вают исследования, повыше-
ние влажности формовочной
смеси ведет к увеличению проч-
ности и некоторому пониже-
нию стрелы прогиба (рис. 186).
При влажности же сверх 6—7%
ннжаютсд вследствие образования отбела и газовых раковин.
Особо большое значение имеет применение металлических
форм. Оно дает возможность получать чугун с высокими меха-
ническими свойствами, в особенности после отжига (табл. 2.','.)
или закалки л отпуска (рис. 187).
К ,if< падко нз рис. 187, пог,ыпа-пие свойств чугуна в зиичи-
тедпшш стт-шшп зависит от его спет,а шт и ттошшны стенок о;-
лшиш. Ирп толщине стеши, к .то/ максимальное шншпш'шш-
мехшт'н'ских евойгтв aviyna получается при С 4-Si
5.7%. При меньшем содержашш углерода н кремния меха-
нические свойства тоже повышаются, но преимущества металлс-
Механические свей спа 4i.ictjna
285
Таблица 23
Влияние металлической формы на механические свойства чугуна
(З.З’пС, '2;:>"а Si. О.гы;п Ma. брусок д ыме ером 36 и и
МсХВМИЧС^КИО СПЫ.У.-17’!Х ' iTCL'iJHIIJ'rl фирма Мстзллипйскйй 1Меплли<|1хкаи фирма | от/гиг
, кг/м.лЕ 22 23 32
s'ft, №/.«,< 32 38 G0
4.5 3,5 5,5
«ft, кг.и 1с-и3 0,5 0,4 0,8
ческой формы уже не столь велики, так как отливки получаются
отбеленными даже в песочной форме. При большем же содер-
жании углерода и кремния тенденция к образованию грубого
графита настолько велика, что не уничтожается даже при ме-
таллической форме. Поэтому с увеличением толщины отливок
оптимальный состав чугуна передвигается в сторону меньшего
•содержания углерода и кремния.
Следует иметь в виду, что слишком низкое содержание угле-
рода и кремния в сочетании с большей скоростью охлаждения,
обусловленной металлической формой, легко приводит к образо-
ванию меж дендритного графита и сопровождающего его «пер-
вичного феррита». Это, в свою очередь, приводит к понижению
механических свойств чугуна, отливающегося в металлические
формы.
Для борьбы с этим явлением необходим правильный выбор
состава чугуна и его модифицирование. Для получения чугуна
Таблица 24
Влияние толщины стенок отлнвок на свойства чугуна,
отлитого в металлические формы
I Тилщкпа, л «
Свойства (после отжига) 12 22 | 30 50
Oft, «г/,и,Иг 3G.6 23,2 22,4 15,7
Е, ,) 13 600 12 300 9500 8400
а—Ь, 87 78,5 83,5 70
» — 30,6 29,5 25,6
G, „ — 5200 471)0 4400
ч- * 60 53 <»,5 44
f. .«.« 4,4 4,1 7,1 6,0
Д,, кг/.и -.г-' 22,1 14,0 13,6 9,2
Ощ,. » (с надрезом) <10,5 10,5 — 9,0
0ft, > (после закалки -у отпуск) . 57.8 35,2 27 22.6
Е к (после закалки + отпуск) 13 51)0 12 200 93()0 7700
28С
Свойства чугцна
ПитателЬ
Рис. 188. Влияние подвода ме-
талла в отливку на механи-
ческие свойства чугуна
с на;тлее мысок:iлн: мсханичесшп::! садил нами приходится
I ’когда употреблял, белый или полов 11! г ч а ты й чугун, который
П):1фииюируетея затем во время термичесиой обработки. € этом
11ЛЫ11 ’fillin': применяется отлип’ И К-олинг [—2 час. ррч
8:.j0 —В глушь.' накалкп в от-
пуска охлаждение соответственно’
проводится в масле ц.дп в воде с
последующим отпуском. Этим дости-
гается получение наиболее высоких
механических свойств чугуна, одна-
ко литейные свойства его при этом
понижаются, а производство в це-
лом значительно усложняется и
удорожается.
Другим недостатком применения
металлических форм для чугуна яв-
ляется понижение коэфицпента од-
нородности вследствие ограниченно^
стп воздействия кокиля на скорость
охлаждения по сечоппю отливки.
Поэтому разница в еглйстоах. чугу-
на при различной толщине стопок
отливок очень ислика, как это вид-
но нз литературных данных, пред-
ела плен пых к табл. 24.
Применение металлических форм
для отливок с толщиной стенок бо
лее 30 л.и не приводит уже к повы-
шению механических свойств. Од-
нако и в этом случае кокильное
литье имеет ряд производственных
и экономических преимуществ,
делающих этот процесс выгодным и
применимым на практике. Некоторое влияние на скорость охла-
ждения отливок и свойства чугуна имеет также подвод металла.
Как показали исследования, прочность чугуна в отливке не-
сколько уменьшается по па правлению к питателю —тем больше,
чем ниже свойства чугуна (рис. 188).
Для повышения однородности необходимо подводить металл
рассредоточении и в тонкие сечения, если с точки зрения шгга
пня пол под металла нс должечг производиться в толстые части
i.TTH'.Wf.
Обеспечение правильного пытания является необходимым
условием получения высоких механических свойств всякого ли
того металла, в том числе и чугуна. Исследования ШШИТМАШа
Механические свойства Ч’)с1;на' 28*
показали, например, что прочность чугуна повышается при уста-
новке прибылей:
Ilpl.. ПрИбЫ.41 ИрН 010'1 ГТК)! 11
«ь. кг/лгм" ........ ,32
Еще больше '.(.'шштшшеть проявляется d чугуне с глобуляр-
ным графитом и конином чугуне.
Автору н В. М. Шнейзману удалось показать, что ударная
вязкость ковкого чугуна в значительной мере зависит от спосо-
ба питания образцов и отливок;
Недостаточное питание Достаточное питание
! кгм!см~ ...... 1,2 2,5
Поэтому все технологические мероприятия по улучшению
питания и увеличению плотности чугуна повышают его механи-
ческие свойства. К этим мероприятиям можно отнести кристал-
I лизацию под давлением, центробежный способ литья и пласти-
I ческое деформирование. Наибольшее применение имеет центро-
бежное литье. Как правило, можно отметить, что мехаш-шескпе
свойства чугуна при центробежном литье повышаются. Однако
это обусловлено, главным образом, размельчением зерна вслсд-
( ствиб механического разрушения растущих дендритов н умсны
[ гением газовых н неметаллических включений. Само же по себе
> уплотнение металла центробежной силой сравнительно невелико,
. но все же имеет некоторое значение.
з Развиваемое при центробежном литье давление может быть рассчитано
1 по формуле:
“* О'" -1 -?
^’мат: й (t j • г.,), (I За)
I
где d — уд. вес жидкого чугуна, равный 6,8 г/см3 (0,0068 кемг3):
2сп , ,
<а—угловая скорость вращения, равняя -g— ш — число оборотов.
I в минуту);
! и — наружный радиус отливки;
г2 — цнутрецний радцус отливки:
g— ускорение, равное 981 д«/сек-.
Так, например, для втулки пли трубы со значениями Г| 20 см и гг —
— 18 см центробежное давление, при П = 500 об/мпн., составит:
Рма,.г = ——-----< -' (20а __ ] Re) = 0 72 j .
ЮОч Ы т - 2 WI ’
Поэтому получаемые при центробежном литье высокие мсха-
я1И1ескш.' свойства чугуна объясняются, глинным образом, нрп-
мешшш’М металлических форм вместо песочных. 1!рн ощшико-
сых же формах преимущества центробежного способа перед
стационарным оказываются уже не столь велики:
С' .'нпншарнчнт 48 3,2 23
11 е с о ч и а Я <|> о р м л I кптробе.кный способ .... 38 4,5 20
ьптнииарныИ способ 35 4,0 18
Другие способы уплотнения' чугуна — кристаллизация под
давлением и пластическое деформирование — применяются по-
ка очень редко. В литературе указывается, что для пластическо-
го деформирования лучше всего исходить из белого чугуна, по
и. серый чугун допускает такую обработку давлением (рис. 189),
При этом происходит значительное повышение механичес-
ких свойств (зл от 18—28 до 65—120 кг/мм2, 3 от 0,3 до 3%).
Повышение механических свойств чугуна может быть дости-
гнуто также путем армирования, т. с. заливки специальной ар-
матуры из мягкой стали ’. Эта арматура закладывается, главным
Ресзбаая структура Структуре nacyip обжшгшя
Рис. 189. Изменение структуры серого чугуна после пластического
деформирования
образом, в тех частях отливок, которые работают на растяжение.
Как показал Н. М. Леванов, армированный чугун при рас-
ходе 3—5% арматуры характеризуется повышением статической
п динамической прочности (рис. 190р. При этом интересно от-
метить, что армированный чугун может воспринимать возраста-
। Арми роздинып чугун Ыл| примечен еще и 1725 г. известным уральским
гыгюдчикоч Лемпдышм на Н юн л нс к ом заводе, где таким способом Gij.ti
гюстроепл сторожения будка. 1 |о супщстну -нм является не столько методом
подучен пч [ii..K‘OKriK;i'it'CTi)citij1 ),<) т.ч'уиа, ('колько методом пол учения hmcoioi-
качестщ'ышх отливок.
- Значения удрргюй ии.зкоетн на рис. 190 относите',I к образцам
Механические свойства чугуна
289
lOJUj'K) нагрузку даже после того как образовалась трещина
и что свойства его в малюй степепп зависят от свойств исходно-
го чугуна.
Наконец, гле.дуг г отметить, что в ряде случаен при испыта-
нии па усталость и даже при статическом изгибе, свойства
Рис. 190. Влияние армирщиния на не хлипче скис свокстиа чугуна.
чугуна в известной мере .зависят от качества поверхности об-
разцов. Грубая литая поверхность может заметно понизить
результаты испытаний вследствие образования многочисленных
надрезов. Литературные исследования отмечают поэтому зави-
симость механических свойств чугунных образцов от состава
формовочных смесей:
Состав сяесей Красин»
песок
кг/Mfit2 . 34,8
/, л/л ... 6,6
Добавка 2% Добаика б!-; Дозами ftl%
мелкого песка мелкого леска мелкого песка
ГI ок рыти е
графитной
краской
38,6 41,2 41,5 47,5
6,7 6,05
5,8
6,0
По этой же причине механическая обработка образцов из
серого чугуна, в особенности при небольших припусках, обычно
приводит к получению более высоких механических свойств
и иритом в тем большей степени, чем хуже литейная поверх-
ность. При механической же обработке образцов из ковкого
чугуна характеристики пластичности несколько понижаются
вслед стопе удаления наружной обезуглероженной корки.
8. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧУГУНА ПРИ
ПОВЫШЕННЫХ И ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Ряд отливок современного машиностроения работает при
низких (иногда очень низких—до минус 200':), при повышенных
(в пределах до критической точки Ж) П высоких (выпи’ точка
AJ температурах. Механические евойстна отливок (жаронроч-
:Ю Зак. 805
2<л)
Свойства чугуна
пость) так же как и физические и химические свойства (рост,
:к ар<,стоп «ость), должны учитываться конструкторами и лн-
1 с i t J i l i [ к а м 1! сообразно условиям работы отлит,к.
а) Механические свойства чугупя при повы-
шенных температурах. Чугун, как и большинство ме-
таллов, понижает сопротшисчше^лаегнчсскп.ч и упругим де-
формациям при повышении температуры: характеристики проч-
ности и модуль упругости понижаются, а пластические свойства,
наоборот, повышаются (рис. 191).
Изменение механических свойств с температурой может быть нарушено
явлениями старения (дисперсионного твердения), напряжениями, магнитными
превращениями карбидов, удалением газов или другими факторами, повы-
шающими сопротивление деформации. В этом случае характеристики проч-
ности могут временно повыситься с увеличением температуры (область сине-
ломкости). Однако, после местного повышения сопротивления деформация
разупрочняющее действие температуры оказывается более сильным, и проч-
ность вновь начинает понижаться.
Как видно из рис. 191, прочность чугуна вначале несколько уменьшается
С повышением температуры (примерно, до 100—200°), затем повышается до
300—450° и после этого падает до очень низкой величины при 900—1000°.
Рис. 191. Влияние температуры па мехгпш'ясские еионстпр серого (й)
II КОННОГО (б) 'IViyllOB
Е^г/пмг
11 iiвчшта поразонанпи минимума ripo'ttitiCTi! нэп 11Ш—200° р пагтгчицес тили:
гни’ Iк1 ciipe/ie.-ieii,:. Нанесiпо, чю этот минимум обнаружнши-'тса в ipiv.pir-
Ц|>'.[ li-.i оно и г1< >,'| 1.111й г TI 111 | 11. чем К ||»'|МЧГГНОМ, !| что гщ у мга 1,1 IIс-| ТУ ii'’C.le
С11Я11Г-1 ilU’IrHOCi'ITnii, 1 1 p.’IKTirifCIi II, ЩД1|Щ ши >'| iiocti, чугуна Ми.К) I! -.1, II и с ТС Я
до | .“Д 1 и.тгтщ Же И pl Г| I lory II non IWI MUI ell 1I11 Teifiiep-iT угг! 'B'.'iiX
4Ci(>---i:"i'j > происходит noiHr'iniio I о it < i щ, i yi i (>, так -<т<э н:н: liolT п|4'чтоет1>
уменьшается уже на 50%, а при Di.iO'' — па 8й% от своей |юрм;о;;11.iu‘t вели-
чины.
Механические свойства чугуна
2(П
В значительно Mcnijiieii степени щюискодит паденпс усталостной проч-
ности (н ;> п те м ii ер ат \ р а к ih.iiuc 5+Р'):
Темперитуга, иС ч> I1'" run ЗОо ЧТО 30» ОТМ
4.8 11,1 !),t ГОД И.г> 9.8 7
Поэтому отношение у !1I! ч п I i а СТС я с повышением температуры.
Параллельно с по||цн;епц('м прочности происходит повышение п.ластпч-
йостн. Jth сзппстлз [имениюген ераинителъпо мп.'ю до 400—-501Р и только
с дальнептним попышеинсм температуры интенсивно увеличиваются. При
этом следует отметить, что максимальная пластичность серого чугуна наблю-
дается при 8и0'::. когда его удлинение доходит до 4% (рис. 191) н котла его
можно подвергнуть даже обработке давлением. С дальнейшим же увеличе-
нием температуры удлинение падает вместе с прочностью до очень низкой
величины, обусловливая тем самым возможность образования горячих трещин.
Ударная вязкость несколько возрастает с повышением температуры до
200—400е, после чего понижается, а затем, по исследованиям Т. П. 'Макеева,
вновь повышается с увслпченпс.М температуры свыше 5U03. В общем же
ударная вязкость сравнительно мало меняется с повышением температуры,
так как прочность и пластичность чугуи.т изменяются при этом в противо-
положных направлениях.
Механические свойства при высоких температурах (выше
критической точки) столь малы, что практическое значение л*
весьма ограннчено.
б) Механические свойства чугуна при пони-
женных температурах. В cootbcittihih с общей законо-
мерностью намс 11с1111и мсхлинсескпх спойстн с температурой,
влияние низких температур, о нротш’юноложгик'Т!. высоким.
должно сказаться в направлении новы щеп ин прочности и пони-
жения пластичности чугуна. Такая тенденция, как показывают
литературные данные, действительно имеется, хотя и выражена
Для чугуна в весьма слабой степени:
Температура, °C .
?ь> %...............
о'ь, % .............
f, %...............
atl, U/o...........
+24 +0
ion i<r>
lot) 103
100 103
100 08
-20
1ад
105
103
‘Л
—35 —80 —180
— Ill 114
116 - —
1(10 — —
88 85 72
Ударная вязкость серого чугуна медленно
с уменьшением температуры, ке обнаруживая при
понижается
этом харак-
терной для стали критической температуры хрупкости. Малая
чувствительности серого чугмна к нлияншо низких температур
объясняется его хрупким разрушением от отрыва уже при нор-
мальной температуре.
Ковкий чугун, характеризующийся ио ряду исс’.тедоп;шпй
Вязким pa.piyii ii'ii игм и г.ысокой и лж'Т1Г1 in ж г :,,i >, за а ч и тел hi из
Резче 11<н111ж,чет ударную пя.н<остт> с пониженном темпера i уры
(рис. |+_’1. В этом случае обнаруживается уже определенная
критичен кая температура хрупкости, иало/КСние которой зависит
от состава металла ц режима отжига. Например, быстрое ох-
13*
292
Свойства чугуна
лаадснне ковкого чугуна от 450-’ (при оцинковке или при отжи-
ге) повышает критическую температуру хрупкости (кривая .?)
п приводит к хрупкому динамическому рж.рушению и к шп-
кой ударной вязкости при нормальной тгм церату ре. При этом
Температура, °C
Рис. 192. Изменение ударной вязкости
ковкого чугуна с понижением температуры:
I — Koaiciifi Б/гун, от г) .чс ?к с ? । м ы й ипклом:
2 — г< I,-.।и чу;',н пое.'р <|>-it-?:гп-цроц^ссд ГбмстрБе оу*
лзжиенпе на пол.чухс ъ59"); 3 — хоккии чугун
nOL. TtJ pOpl'i'Cjl QU.ll.il |ЛтП K!| IJ ’lll fik'CTponj ПХ.'иЖЛкМЛН
Ft ЛОДС ft -t"4j::'
юте я по границам зерен, соответственно
ударную вязкость без особого влияния
i’.h.l пиляма резко ме-
няется. переходя от
черною бархатистого,
хаparcTi-'piroro для нор-
мяльного разрушения
ковкого ч улуна по зер-
нам, к блестящему бе-
лому излому по грани-
цам зерен. Такое меж-
кристаллитное разру-
шение объясняется вы-
делением карбидов или
других фаз из феррита
при быстром охлажде-
нии ниже 460е. Эти фа-
зы нс успевают коалес-
цировать и расподага-
ослабдяя их и понижая
на статическую проч-
ность i«,bko;o чугуна.
Наоборот, быстрое охлаждение от 6й(Т’ способствует получс-
шио пегсихла;кдсшюго и пересыщенного твердого ?-раствора,
что повышает межкристаллитную прочность а приводит к нор-
мальному вн\ггр|Д<рк'сталлптному разрушению. При этом кри-
тическая темпера гура хрупкости понижается (кривая 2), что
характеризует меньшую склонность чугуна к хрупкому разру-
шению и повышает надежность получения вязкого излома при
нормальной дш даже несколько пониженной температуре.
в) Влияние в р е м е и и н а г р у з к и п а м с х а н н ч е-
с к и с свойства ч у г у п а п р ц разных те ч пер а т у-
р а х. Приведенные выше результаты кратковременных стати-
ческих испытаний, на основе которых рассчитываются отлив-
ки, работающие при нормальной температуре, применимы толь-
ко для температур до 300 —450"’. Б этом случае дл1)тслг>иое на-
тру жшшс, характерное для реальных условий службы чугунных
отливок, донус|имо при напряжениях до S0% от предела проч-
пгх'тн мст;1Л.Ш1. При Гюлсс высоких температурах уже цр>1, срав-
нительно небольших напряжениях обнаруживается явление пол-
зучести, харакгеризуюшссся все нарастающими ио промен и пла-
стическими деформациями. Ио этой причине разрушение чугуна
при длительном пагружепкп происходит при меньших напряже-
Механические свойства 293
? ниях, чем но время обычного кратковременного испытания. На-
пример, чугун, НМСЮ|Ц1ц"[ П род ел прочности при раСТЯЖеИШ!
13.7 кг/мм' при З-Ш'. разрушимся при длительных испытаниях
j уде при 3,i д.’/-М/г-.
’ ii!Wiyimn ы^дл^^.Н'И!» измсш.чиым размеров от.нияш нот го-
стоянпом изиряжс111[।::
.i
( - = Ct,iist. yV|Jf! + -Л ьозрасг.нот.
, Здесь —упругая .то фор.жития, остающаяся без изменения вследствие
постоянства действующего напряжения;
-гл — ннрастакнцая пластическая деформация, которая происходит
. вследствие разупрочняюшсго девстацн температуры.
Это явление, как указал Й. А. Одинг, в некотором смысле противопо-
ложно процессу релаксации, обуело-влещюму постоянством размеров и
уменьшен не и н ап р яж ер кп:
£ущ> + гпл = cons;, г -- уменьшается
В этом случае имеет место, как было указало выше, снятие напряжений
за счет перехода упругих деформаций в н-шетическце.
Нарастание пластический деформации при ползучести проис-
ходит с определенной скоростыо (’/.), я иля i.oi । icbicn функцией
состава металл;], температуры и inoiичiнил напряжения.
1’> чугуне, кшс и г, стали, заметная ползучее;и начинается
только при температурах иыше ФЮ —].>()' и закчсцмости от
структуры и спета на мсти л,то. Кик г.п.тпо из оттого не следова-
ния (рас. 193), скорость ползучести после псксторого неуста-
Нонившегося режима становится постоянной (удли некие харак-
теризуется прямой линией), Величина этой скорости кладется
обычно конструкторами в основу расчета отливок, работающих
при повышенных температурах, с тем, чтобы общая пластиче-
ская деформация за все время службы машины нс превышала
определенного значения. Если ограничить, например, общую
допустимую пластическую деформацию 1%, то при заданном
нормальном сроке службы машины п 100 000 час. (около 11 лет)
Допустимая скорость деформации определится:
I
i< =----------~ 10"а % час
Нт югШЮ '°
Для менее огнстствепиых опт шток допускается скорость
Дефоп.мчшп; до IО"1‘-й/шц:, его соетоялш'Т около Iи год.
Емсточ т, jTOjpyinv ! ч очень резко Ы'.-ргн.'таег е температурой
И ншпу.чюп. ! Iniipn мер, спорт in п, (л.тюкттп при ,370'' и
15,6 о.'/.чч,- примерно ра'ша сскчтьетстiwtoi'hci'i скоросш нрп -тоО"’
И 6,2 к..'/лг,ч-. Она составляет для чугтна с тш/.ч.ц- около
| о,3 10_|%/чзс. При увеличении Haipywi при постоянной темпе-
I
1.
204
СплЛства чцг'1>ца
ратурс (например 370°) скорость ползучее!п возрастает следу-
ющим ибра.-юм:
кг:.ч.^ Г-’.З 18,7
Рнс. 193. Кривые ползучести для серого г(1_гснп при (нтмие,
темпер/ггу рст i! и ;i 11 р я ж е п I nix 1
При томиеватмрс 51П-’ и напкзко 0,3 ьР’/.Р.-К- <’ко!>ос! в
Ползучести составляет 50 МК'фр/члс. Таким образом, темпера-
тура 'topi.rinncг <'F\орлст!, ।]о.’т;vpecTiт интенсивнее, чем наппчжс
нпе. При этом между скоростью ползучести и напряжением
существует экспоненциальная зависимость'.
или
In дп - In Т+ -. (125)
На основе кривых ползучести можно определить предел
ползу и ест?! (рис. 193), т. с, то напряжение, которое обусло-
вливает допустимую по нормам скорость деформации при за-
данной температуре. Пользуясь пределом пли скоростью ползу-
чести, можно рассчитать- отливку при заданной для нее рабочей
температуре иди, наоборот, определить допустимую рабочую
температуру при заданной конегрмкчип отливки.
По cyiiiei'Tnyjoi;!!!': нормам дал ч у су в ’ ы и арматуры допусти-
мая раб(ат;।!j темпер,CTyn.'i об?ач!iг> ни иревосходпт 251!- ЗЩТ'
Х(Н;-[ новен пи ie иссли/джиния ц < > к азал п, что она может бг.ггь
1 ('-laii и те ж,- жнинь.1 11 и е а с г.' I на । ж ц ц:( рИс, щи 15 кжгрднжгеах
я1 ч]е' и г!। [ । [ ;т» Дгг с ;<< > о ।-с । ? [ а г(Ь<тп машгн— а встал пмзучсгтн».
КраГ11о'СТЮ1е’ш;|1! прочность чуг'-.чы (3.2% С н \,27% Si) сост.н;ли.|.т:
Механические свойства «t./ei/на
295
повышена до 340° для1 серого чугуна. Дальнейшее повышение
рабочей температуры ограничивается не столько ползучестью,
сколько ростом {)неличспнсм размеров) чугунных отливин в
ненапряженном (Люггшнцщ что обусловлено процессами окисле-
ния. Дсйспптсльно. как видно ц.ч рис. 193, peter чугуна (без
нагрузки) при температуре 540° уже составляет 32-Ю"5%Лшс
и пре восходит сш.н шествующую спорость деформации ползуче-
сти при температуре 430° и нагрузке 6,2 кг/мм2.
г) Влияние состава «других факторов на ме-
ханические свойства чугуна при разных тем-
пературах. В пределах обычных составов содержание угле-
рода, кремния, марганца и фосфора почти не влияет на пове-
дение чугуна при повышенных температурах. Так, например,
Г. Н. Троицкий показал, что соотнОЕВсние между пределами
прочности разных марок чугуна сохраняется при всех темпера-
турах вплоть до 700° (рис. 194).
Простой серый чугун, прочный при нормальной температуре.
оказывается прочным и при повышенных температурах, хотя
в общем виде такая связь не может быть установлена. Это
объясняется тем. что разрушение чугугга (при растяжении,
Изгибе, кручении) проис-
ходит, главным образом,
по выделениям графита
я только частично по
основной металлической
Массе (по зернам пли по
границам), Поэтому улуч-
шение фор м ы гр а фита
одинаково благоприятно
сказывается на прочности
чугуна при нормальной и
повышенной температу-
рах. Точно так же п ле-
гирующие элементы — ни-
кель, хром и в особенно-
сти молибден — благо-
приятно действуют па
Риг. 194. Влияние температуры на соот-
ношение прочности двух чугунов
прочность чугуна при повышенных температурах, так что в ле-
гированном чугуне палечше прочность! начинается с более высо-
ких температур" (~500°).
П.тпболъший питергю представляет влияние легирующих
элементов на сопротивление ползучести. В этом отношении, ещк
Показывают исследования, особенно благоприятно действуют
Молибден (рис. 195) и до некоторой степени хром и никель
{табл. 25). При этом никель особенно резко снижает скорость
296
Свойства ад/една
ползучести при высоком содержании (около 15%), обеспечива-
ющем получение аустенитной структуры.
I Jobып1<чк!е устойчивости структуры и снятие напряжений
путем низкотемпературного отжига также значительно усиливает
coiipoiцеление ползучести:
1! I lJpoH П'Х'ЛС Л-ЖРСГ"--. ,,r;!i(rr3
CtH'TCr-tHnil при »’ 1г|,.
Скорость роста
Ир 10—/час. • 14,6 2,5 0,8
Скорость ползучести
t'n Ю-% «о/пас. ... 61,7 27,1 1,7
/Тэсчад, чегей/
Рис. 195. Влияние мо.-пЩчлчга i;;i екорпсп. иплзу'честп чугуна
при 37О(1
Поэтому, как правило, следует подвергать низкотемператур-
ному отжигу все отливки, работающие при повышенных темпе-
ратурах, причем температура отжига должна быть примерно на
50—100° выше рабочей температуры. Однако при этом следует
избегать процесса сфероидизации карбидов, понижающего
Таблица 25
Скорость ползучести простого и легированного чугунов при 540°
Химически;! с*зст1й. Of fO Скорость ползучести (> , 1СГ"; % час
С Si Ni r’r Си 1 Скорость рг Г, -о •,-г/час 1 > - од I л-.’-.л.и1 , i •ю « 11 I * ^-”S! 1 I1 я Гл '/. = 6,9 । к г Мм t? 1
.V(-' 3 1" 2,':ь 2,4! Т .2’7 14 - 0,67 16,50 1 м< 32,0 14 <; 0, 1 м 37,.7 1 с- 1 Б и 1 .л — 7'5* I5S* 1-1.6* 1,0 ?,0 it UH Ю.4
* Слпмя.тги при внлерискг билсс |<) .пн'й.
*♦ С/н^алги Л|;)( мыдержко менее П1 .ute’i.
Физические, химические и технологические’ свойства чекана
сопротивление ползучести. Термическая обработка-—закалка
и отпуск — также является вредной, так как дисперсный перл sir
оказывается менее стойким, игольчатая же структура имеет
преимущество перед обычным перл атом:
Структура Г(,уО-., Mc^hoiiruJii,- Грубый M(-.n,iiri
Нгсммагаи чдгфг перллт перлит
t'n Ю";, %/час. (,() 3,5 7,5 48,0
ГЛАВА I
ФИЗИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧУГУНА
Некоторые физические, химические и технологические свой-
ства, так же, как и механические, могут оказаться иногда
решающими в выборе состава чугуна, хотя в обычных условиях
они являются второстепенными. Такую роль в соответствующих
условиях работы отливок могут играть как поверхностные свой-
ства (обрабатываемости, нзноеоупорвость, «шротявленно корро-
зии), так и объемные (плотности, тепловые и 'тлектромагнигиые
свойства). Общей характерной особспноспно повер'хпостных*
свойств является их сильная зависимости нс только от внутрен-
них, но и от большого числа внешних факторов,1 что затрудня-
ет пх изучение' и создание методики нсслсдования-
1. ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ
Обрабатываемость чугуна зависит нс только от структуры
и свойств ме.талла и чистоты поверхности отливок, ио и от мате-
риала и конструкции резца, характера обработки, смазки
и других условий резания. Так как обрабатываемость во многом
зависит от самой технологии обработки, то отливки, обрабаты-
ваемые удовлетворительно в одном .механическом цехе, могут
плохо обрабатываться в другом. Поэтому к требованиям улуч-
шения обрабатываемости отливок следует подходить с осторож-
ностью, если удовлетворение этих требований приходится произ-
водить за ечет п<1Ш;жеш1я других важных свойств Hyryini. Вме-
сте с тем залача литейщика заключается в том, чтобы макси-
мально свел!in[[шлю обрабатываемость отлшюк, тан' как стои-
мость механической обработки п[>едс'1 являет :ш,тчнтелы1ут<> части
обппчй стоимости детален.
1 11 п г1 г. । (утр г11111 [ mi । <|i л итовама потшмаг'т ci.'-oncrnii п состоишь ч «ii.t.'i а
в отливке, под внешними — осталЫИте (Гавторы.
298
Свойства чугуна
Критериями»! оценки обрабатываемости могут служить: допустимые ско-
РОСТ:1 ! > СЗ П iI И И, тем пириту р.п Н У'СТО й ИI [ !10<:тг,
тюнеру когти. убкп.т |[|Ю|[||К!|Овеиня сверла и
•inc i:a OP.'K'II., V.;ce.iI,I[|4“i расход -ии.'рrsn: if T.
о кг/ммг
рег-тцкто инструмента, чистота
OlIpe.Te.Hr-KIlEJX УСЛОВИЯХ, ДИНЛС-
Л. r)T,i !:I IITCpilИ весьма |’|.Т<[И>-
<><">r>HTKu ||C rpocfl природе, if
могут unci .ел привести к нро-
тп ио n<w । л, ;i;,i4 результатам
тц>11 i.wii'o' oopnfjaTbisfiCMcicTii.
Гак, Например, чугун может
препосходита етодц по допу-
сютемой скорости резання или
стойкости нтгетрумента и усту-
пать eti по чистоте поверх-
ности.
Наиболее распространенной
характеристикой обрабатывае-
мости является обычно эконо-
мическая скорость резания,
соответствующая стойкости
резца в 60 или 90 мин.
(у<-,сО при опрмелеииом режн-
Рпс. 196. Зависимость обрабатываемости от
твердости п прочности чугуна:
t — глубина реаатгн, мм; S — подача, мм/ай
мг резания. При Сверлении
обрабатываемость соответст-
венно определяется скоростью
вращения сперла, О15сспечпва-
loiaeii otimpctip! за-
данной длины, 1 [ к к р и м с р 2000 дт.н, без заточки инструмент, i (и > , или
глубиной енер.'н'ини при
ЛЫИК'М (( > ).
onpe.'lcjciiiiOM числе ooofioioii иод ппс.тоиниым дав-
а) Вл и я п и е
с в о il с т в ч у г у и а
стр у к -г у р r,[ il м ех а п п чес ки х
Кин тчиагшвают литературные данные и
практика, тепло, распинаемое при резании, и износ инструмента
повышаются с увеличением прочности и твердости чугуна, вслед-
ствие чего обрабатываемость его уменьшается (рис. 196),
С. Г. Ляаньин рекомендует определять экономическую скорость резания
чугуна (уЭц ) по следующей формуле:
^-^7’ <!2'>
где f — глубина резания, мм\
S — НОдача, .дл/об;
с, дг, а — кодфиииспты, зависящие от режима резания, структуры и твердости
чугуна (табл. 26).
Из данных табл. 26 видно, что экономп’тескэя скорость резания пони-
нинтся с увеличением твердости чугуна.
С''Вр(?мгш 1.’ып метолм дают возможносто вести механическую
обработку чугунных ОТЛПВОл С. бо.’Пя 1111М11 скоростями — до 100
и дани! до 4(>() м/лшн. 0;ui;iKo, шншиис различных факторов ни
обр.г|б:г1 ы1!.'1емостъ чугуна ос'гиется при этом без изменения. В
чпс'!।пс1 и. слияние тверды!."!п выражзе'!с;г следующим образом:
''э« M'fi" '= C'liTSt.
(128)
Физические, химические и технологические свойстве; чугуна
299
Табл нц а 26
Значение коэфициенты» с, х и у о формуле (127) в занисимости от твердости
lyryua _________
' .1 il |• ч 111 |Д J-.OlrJ и | Д,ы.е:1|Ы.1С | |о и и
Иц кг/лгм1 t [ ..?J -4 Г1,, 7 --П.7.» гГ.М/'г t jgJI.5 .«к. -i еСо.7,' .irъ. п,-
С Г С -< V
NO 160 180 200 32,6 2G.0 21,6 17,8 0, 16 0, 16 0,16 0,16 0,58 0.3S 0,38 0,38 3-1,2 27,2 27,3 18,7 0,20 0,20 0 20 0,20 0,30 0,3) 0,30 0,30
Эта зависимость обрабатываемости от Но и ф, чугуна часто
нарушается, что унизывает на су шествование дополнительных
причин, подлежащих учету (пластичность металла, неоднород-
ность структуры И т. д.).
Повышение иласти’нГости сверх определенного предела вы-
зывает прилипание стружки к резцу и образование наклепа. В
связи с этим увеличивается давление на резец и повышается
вторичная' твердость, что ухудшает обрабатываемость. Но этой
причине аустенитные егруктуры, в ocooihihocгп маиганцового
класса, отличаются плохой обрабатываемо!.' ! ью, несмотря па
свою низкую первичную тнердосг;.. Указанное явление наблю-
дается ташке при механической обрабогк'.; ковкого чугуна выс-
ших марок, харакгерпзуютнхея низким содержанием углерода
отжига и высокой пластичностью, О/шако, для обычного серого
чугуна, ввиду его низких пласт я четких свойств, это не может,
конечно, иметь значения.
Основной причнпой, нарушающей зависимость между обра-
батываемостью серого чугуна и его твердостью шти прочностью,
является неоднородность структуры. Чугун, структура которого
содержит отдельные твердые составляющие (карбиды, фосфи-
ды), служащие абразивами, плохо обрабатывается даже в том
случае, когда средняя тзепдость его не высока.
Поэтому структура чугуна, состоящая пз круппппластинча-
того перлита с включениями фосфидов п карбидов, плохо обра-
батывается при тзг-рдисти 2й0 в то г.рсмя как чугун
с равномерным сорбитообразпым перлитом обрабатывается удо-
влетворительно при тгертосги до ЭТО //.-, . По '[dn же причине
ле in р()Ы111 вы й, а также модифицированный чугун при одной
н топ же твердости обрабатывается .юте, чем простой.
С Другой ('юрояы, наличие графита в (ryi уггс оказывает
положительное влияние, повышая обрабатываем ость вследствие
образования крошащейся стружки и действия графи та. как
3 00
Свойства чцгуна
смазки. Поэтому степень графитизации является важным фак-
иром, «ятредсиТ/цощим обрабатываемость чугуна. С повышением
степени графитизации твердости.
Рис. 197. Влиянии уг.терада а крем-
ния iia ofjpaOaTrjiaaeMocTL чугуна
и прочинен, 'tyiyita уменьша-
ют ТЛ, !«).!|;|Ц'СТВ(.) графит;-!1
уш'.иичьг.астея и обрабаты-
ваемость у , । у а 111 а с ус я.
Особо хершцей обраба-
тываем ос тын отличается чер-
носердечный кочкий чу-
гун, обладающий идеальной
структурой: мягкой феррит-
ной основной массой и мел-
кими включениями углерода
отжига. Белый же чугун,
наоборот, обрабатывается с
большим трудом, на малых
скоростях и тем хуже, чем
больше содержание и нем
углерода.
б) В л п я н не хим i n
ч с с к и г о гост а в а п
других факторов. Мпогочиелшшгне исследования
показы-
вают, что с увеличением содержания углерода повышаются ко-
личество графита и степень графитизации чугуна, понижаются
его прочность п твердое! f. п улучшается обрабатываемость
(рис. 197),
Кремний. способствуя графитизации, одновременно образу-
ет* твердый раствор с ферритом, повышая его твердость. По-
этому благоприятное влияние кремния сказывается только при
повышении степени графитизации. В случае же постоянства
структуры основной массы чугуна (например после отжига)
кремний, как показывают исследования, мало отражается па
обрабатываемости и даже уменьшает ее при содержании, пре-
вышающем 3% (табл. 27)/
Вместе с тем следует отметить, что большое количество
крупного графита способствует получспи го грубей ноздреватой
поверхности даже при ca.xrofi мелкой стружке, что объя-’ияётся
выкрашиванием металла между выделениям;! графита. Поэтому
ДЛЯ Ш'.'Л’-.Щ'ШЩ Tliloii И глад ТОЙ ГКИ’.ЩТХ ШТСТЦ и е О б X ОД II м О
уми и юн fm содержа икс у।л срода и кремния
в ч у г у п е, х о т я и р в э том и п р п к о д и т с я и о л и ж а т ь
с. к ч г ' > с Т я р 0.а и и и я,
1 ’>.т11я111и .марганца и егры ча об!тш1;ггыв;-1емость су'шшнгелыю
неттоико -ы пехлючеппем с. ту чае и, м>гда эти элементы рс:.;то
1П'Шш;аг’т с’.-енепь графитизации. При большом содержании
Физические, химические и технологические свойства чугуна 301
Таблица 27
Влиянии кремния на обрабатываемость чугуна
Состав н свпцстна чугуна до отжита | I i Содержание к[1СМ1|ИИ, % 'Л7 ;и
1 VJ 1Ю1 3 L\4J i ] “ i 1.3
1 до отжига 1 1 после стаи гя до отжига после отжига дб отжига после отжига
Се. t»..n 0,9 0,0 ОД 0,0 0,5 0,03 0,4 0,0
Твердость 77д кг/мм- 190 136 220 150 230 175 230 175
Обрабатываемость Л<ю> мм ..... 1,5 2,5 lr8 2,5 2,3 2,6 2,1 2,4
марта ина гюзх-южил образование мартенситной или аустенитной
структур, которые обрабатываются с трудом вследствие высокой
первичной или вторичной твердости.
Также отрицательно действует па обрабатываемость чугуна
фосфор, что объясняется неблагоприятным влиянием круп-
ных выделений фосфидной эвтектики. Однако при размельче-
нии и равномерном распределении -тгих выделений, н особен-
ности г. ферритной octioiair>ii массе, из которой они легко вы-
кр.'ппгппнотся, повышение с< дер ж. 111।i я фосфора практически не
оказывает большого влияния на обраСФтываемост!,. При пер-
литной же структуре и прочном раситсюжецни в ne.fi фосфидной
эвтектики релиу приходится перерезать эти твердые включения,
что, конечно, понижает обрабатьсваемость.
Влияние легирующих элементов определяется, главным
образом, созданном равномерной структуры, вследствие чего
обрабатываемость чугуна повышается. Поэтому при одной и той
же твердости о б р а б а т ы в а е м ость л е г н р о в а н но го ч у-
гуна выше, чем простого. Особенно благоприятно Дей-
ствуют никель п медь, а по ряду данных и молибден (до 0,5%),
так как эти элементы интенсивнее других повышают однород-
ность чугуна. Однако во всех случаях, когда твердость при
легировании чугуна увеличивается, обрабатываемость его пони-
жается:
/'п. кг-мм- . . .
< )бр;1бдгывагм<>(-| j.
Дао. мм...........
6,6 0,'В 1,6
191) 25п 275
25 22 15
Гипс интенсивнее в этом othoihch'ih действует хром.
Влияние^ остальных фактоуэл-• скорости охлаждения, тер-
мической обработки, модифицирования, » т. д.— определяется
3u2
Свойства чугуна
целиком соответствующим воздействием на графитизацию и од-
нородностью чугуна. Особенно благощмштш) слияние модифици-
рования, при котором повышаются как г'тепош, графитизации
ю/гуна, так и его од но род ноет к.
При механический обработке следует всегди иметь в виду
странагелыюе действие литейной корки из-за наличия в ней
песка и икпелов металла, действующих как абразивы. Поэтому
глубина резапия должна быть достаточно бооиь; ио г j, чтобы ре-
зец сразу проник в нормальный по структуре подкорковый слой.
С этой целью при обдирке рекомендуется орать первую стружку
не меньше 1,5--2,0 мм толщиной. По той же причшю отливки
должны быть тщательно очищены от песка и окалины перед
механической обработкой.
2, СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗНОСУ
Большое количество чугунных отливок работает на трение.
Сюда относятся шестерни, подшшшики, колеса, тормозные
колодки, направляющие станков, суппорты, цилиндры или втул-
кн двигателей, поршни и поршневые кольца, валки, мельничные
шары, катки, и т. д. Как велик может быть при этом износ
отливок видно цз того, что нормальным считается износ звтоци-
лиидра в 0,01 мм при пробеге 2000 км. Износ направляющих
токарных станков соста.',ляет До 0,2 в год, что делает через
некоторое время работу стшпш неточной, а потом полностью
выводит его из строя. Тормозная колодка паровоза выходит из
строя после пробега в G—7 тыс. км.
Повышение сопротивления износу трущихся частей машин
представляет большую народно-хозяйственную задачу. Прп этом
Прежде всего долщеш быть обеспечен малый износ наиболее
.дорогих частей сопряженных пар (вад, цилиндр и т. д.), хотя
бы за счет преднамеренно большого износа более дешевых
частей (подиншшжи, поршневые кольца и т, д,).
Износ представляет комплексное физическое и химическое яалепие, след-
ствием которого яаляртся смятие поверхностного слоя, хрупкое скалгаваиие
частиц и окпелепие. Эти раздушен я я происходят, несмотря ну сравнительно
ничтожное нормальное .пыление, что объясняется не р а в н о и е р 11 ьгм распреде-
лением па пр юкер нй. При трецпц первого рода (скол а ж анис). наряду с упру-
гими деформациями, |И.'ГЯ1С’:од>1т ютастн 1 lecKнс н разю нгнютые деформации —
смятие ч срез ц.тя pi'Hii-iBHtiiie частиц (при хренком Материале). 1Грц гнети!
в'т'Т'Ло а (юн ниш-?) cot i р и к е а 101 ш i е ей тонан аролиди;- серию повтору го
11п::,ся ил;ю।>н, чго гоггоаж'т теле с ютытыю от усталости. Па^кгои'.тп-
цо с I |.т ас Гн тсек и:.; и д oU т i > a i а юр, я а и роист, >р иг i;:i к.т си, сонроиожл нем t,i р на
М('НС|! I Г.1 '.| II иГ.'Ы'М!!. 11; 11 i i I li Ж с I • I (я М 11 к a |111 к I; м СКТ..Ц,||!,:||||(’М.
Г|1оН'' :о|<>. i'.i.iC'i ihIi/cxhc1 ;1<ф'ор?,1 .in и и, см'.ppi-.iii iior.piiHpiiny.tj ак iiipiioeri,
М' t-i.i.-,;i. 1; 11; 1 '.:i ла к OHHc.O'iiico h.ii, самого Mcia.i,.i;i, т;щ n p pi 1:1 pp । о и налог,a.
1Г<нн,'' Moiiier прорех, Д11Т1, p f> 1 icv 1 <- ii'.| 1 к окяг’.т ci; а и, ip. oioicniii ch/ihiio
H.-tniiior ini hoiv.ti.T.in.i трепан, p пгоёешюсгт, сухого, так как меняют нггофи-
iHieiir трения и условия износи. Этим объясняются факты сильного износа
Физические, химические и технологические соойстоа чугуна 308
на поз духе и отсутствия износа в центральном разе. С другой сторон ц. как
впервые показал М, II, Caainiiici<mi, окисление может оказа ii,ca и пыш/ки-
тельным фактором, ес..-iи способствует образованию порошкообразных про-
дуктов износа, легки у,i.,s.ч>и?иI-тх от сферы трения.
Особыми пилами :в»:><-;гхпистнпгс! разрушения являются притки и к.,пи-
тания — результат сос । rioio возясi'iетiuiи износа и коррозии- 1’а--ре-
шение при эрозии upoiicxu.'i.Hт род [л,шейстинем папа или абразииов и но-
сит, в основном, McKiiT-iiuri: мб карилтер. Такое же механическое во ятей ст и не.
вместе е кор рознен, из;сет место п рн к.аг.нташш. При быстром пращштнв
или движении от,гадки и жидкости, например в поле, получается местное
понижение давления а парообразование. При последующей конденсации
этого пара образую ген нусгогы и пода ударяется о металл. Подобному
разрушению подзергаютея гребные винты, части насосоп, арматура, ци-
линдры турбин и т. п„ когда с/тороста, движения к сила удара воды дости-
гают определенной величины. Разрушение начинается у надрезов и образует
разъеденную губчатую поверхность, лишенную следов продуктов коррозии.
Скорость подобного разрушения тем больше, чем менее равномерен, ход
машин и чем меньше сопротивление материала износу и коррозии.
В зависимости от условии износа, следует различать изно-
се у п о р и ы й и а нтифрпкциовн ы й чугун.
Износоупорный чугун применяется для отливок, работающих
на износ: вагонные колеса с отбеленным ободом, валки, мель-
ничные шары, тормозные колодки п т. д. Чугун дли таких отли-
вок может быть и серым и белым. Кроме прочности, он должен
удовлетворять, главным образом, одному основному требова-
нию— высокой пзтккюу пор пости. В некоторых случаях (тормоз-
ные колодки, фрикционы) чугун долалш обладлег. еще высокими
фрикционными свойства ми, т. с, большим кчадфищшптом трения
(0д_0,8к
Сослвыю исследи и а и кчм НИИЖТ ('Нпучно-игследопагслы.'кнй институт
железнодорожного транспорта), коэфиднент трения чугунных колодок может
быть определен по формуле:
]6 Р -J- 1С0 е + ИЫ
® = 0,6 ---------—•— •--------, (120}
8в Р+ 100 .над 100
где Р — давление на колодку, г;
V — скорость поезда, к.к/чйс.
Из этого выражения чпдио. что коэф над епт трепан колодок стремится
К 0,6 и понижается с у1шшГ(е:;1иез| даплештя и скорости движения. с-.гень-
шается оп также и е попижшшшм твердости колодки.
Частным случаем иыосоукорного чугуна является антифрик-
ционный чегуи, кргменнюнпнкя для подшипников. Кроме низ-
кого износа, он должен обладать небольшим коэфшшеьтом
трения’ (0,05—0,16); гш1С'Ж-.ш тгщлопроводностью, препятствую-
щей пс-иышешио темпер;! гуры; хорошей обрами гышшмос'адш,
Дсшуек.тющсй шабровку н ш-лучечше ч; । с i о а иоиотглостл ено-
Собясстию удерживать (:i.iс11p'oiг'ы>р.;eio.) емшшу г, виде птч:ре-
рывПой Ii.ip?вш।; высоким чае,т.ашы); дыстач''Ч-
ной Н.лrCTioniocгою, joi)yi4iai(4i;.i?i; приработку; <шреде.'ь.'|Шым
Коэфсшкн|'<>м расшцроiши в сооттегсоши с сопрягаемым мате-
риалом ц т. д. Белый чугун не уда ил створяет этим требовани-
304
Спой ств а чугуна
ямпоэтому в качестве aцтифрпкциошюго материала приме-
няют только серый и ковкий чугуны.
1ю всех случаях величина наноса я пл яс- гея функцией боль-
шою числа внешних факторов, в том числе качества сопряжен-
ihh'i /(c-'ia.rii । контр-тела), характера трсчшя, наличия смазки,
соггияння поверхности, степени удаления- продуктов истирании,
удельного давления, скорости движения и т. д. Это многообра-
зие причин затрудняет изучение явления--поэтому до сих пор
нет определенной методики испытания на износ. Л ушной ха рак-
тор истиной сопротивления отливок износу остается испытание
их а реальных условиях службы,
Из приведенных внешних факторов особенно большое значе-
ние имеет смазка, при которой сопротивление материала износу
не является уже столь важным. Однако нельзя забывать, что
даже, при наиболее совершенных условиях смазки, например
в автомобильных и авиационных двигателях, возможно иногда
полусухое трение в подшипниках вследствие разрывов масля-
ной пленки. Поэтому даже при хорошей смазке износоупорности
отливок необходимо уделять должное внимание.
С новыщегшем удельного давления и скорости движения
износ чу [-у па увеличивается: при жидкостном трешш этому
способствует также иыда вливав не смазки. Поэтому с увеличе-
нием одного из этих факторов 11. И. Фейгин рекомендует умень-
шать значение второго;
ininpiiMcp. для серого чугуна:
Давленш.-: /», хе/г-.й- . .
Скорости а, .\llC4ti . .
ди, кгм/е.^ сек . , ,
2.5
5,0
12,5
5.0 10,(> 20,0 25.0 40,0
2 5 2,5 1,0 0.5 2,25
12,5 25 20,0 12,5 10,0
В зависимости от нагрузки, скорости движения, коэфициента
трения, массы п теплопроводности происходит повышение тем-
пературы, которое может вызвать заедание трущихся частей.
Такое заедание наступает обычно при больших удельных давле-
ниях, при отсутствии или недостаточности смазки, когда продук-
ты износа fi-e удаляются-, а остаются на трущейся поверхности,
вызывая дальнейший износ, повышение температуры н сваривае-
мость. Поэтому сопротивленце заеданию является важной ха-
рактеристикой антифрикционных' сплавов. Поведение чугуна
с этой точки зренья следует считать удовлетворительным, если
соотвстстиугл।jио зазоры при чугунных подшипниках увеличены
на Ю —15% против бронзовых и если обеспечены высокое каче-
ство обработки п чистота трущихся поверхностей.
План шири всем .этим качествам, чугун, в результате боль-
шем работы советских мстал.’кни'.тов и литейщиков (А. К. Зай-
шт.. П. П. фею ни, L. М Ро 'еибср]', Я. Г, Лифшиц п др.), по-
лучил широкое применение как антифрикционный материал,
а место I шетн ы х сплавов.
Физические, химические и технологические свойства чугуна -Т;>
а) Влияние структуры чугуна. Влияние структуры
чугуна на сопротивление износу зависит от условий работы и
прежде всего---от наличия пли отсутствия смазки и характера
1 рения.
В антифрикционных деталях при достаточной смазке, напри
мер в подшипниках скользящего трения, структура основной
металлической массы чугуна должна быть гетерогенной и со-
стоять из мягкой, вязкой основы, в которую прочно внедрены
твердые составляющие. Износ мягкой составляющей создает
каналы, удерживающие смазку, а твердая составляющая вос-
принимает па себя давление. Этому принципу, по существу,
удовлетворяет перлит: его вязкой основой служит феррит,
а твердой составляющей — карбиды. Таковы же перлитная или
ферритная структуры е выделениями фосфидной эвтектики
и ковкий чугун с перлито-ферритной структурой или со струк-
турой феррита с коалесцированными карбидами. В износоупор-
ных же деталях при сухом трении наибольшие преимущества
имеют однородные структуры с достаточной первичной пли вто-
ричной твердостью (сорбит, мартенсит, аустенит).
Наименее стойкой против износа структурной составляющей
является феррит. Однако, стойкость его может быть повышена
легирующими элементами (Ni, Си, (2г), уиелпчищпош.имп проч-
ность и понижающими окисляемоеть. Наличие феррита оказы-
вается полезным только при мягком контр-юле к при малых
давлениях и скоростях, и особенное и при трения каче-
ния, Вследствие большой податлив ости, ферртщгя структура
может оказаться полезной при возможных перекосах трущейся
пары. Наличие феррита представляет некоторые преимущества
также при грубой обработке поверхности. Это объясняется
возможностью образования ферритом глазированной пленки
вследствие пластической деформации, чем устраняется отрица-
тельное влияние грубой обработки. При перлитной же структуре,
менее пластичной, качество обработанной поверхности должш.
повышаться с увеличением дисперсности перлита,
В большинстве же случаев перлит представляет значитель-
ные преимущества, в особенности при трении скольжения1, Так,
например, при испытании серого чугуна на машине Амслера
найдено;
Перлит, % ... .30 45 50 00 70 S0 чи
Износ, % . . . . НЮ 35 25 20 Ю {),.>
С увеличением до извсснюго предел;! количества связанной’
углерода в сером чугуне п;шос уменьшается. Точно так же и кт
1 Перлитная структура является также [;,итбо,чсе сточной [ipciiuij надир;-,
образованию которого способствуют структурно-свободные вылстеше! Фер-
рита и карбидов.
20 3(1. 800
Ж
Свойства чугуна
кий чугун имеет значительно большее сопротивление износу при
перлитной структуре. Поэтому антифрикционный (перлитный)
ковкий чугун можно применять при значениях pv ДО
100 кгм/см'2 сек., в то время как обычный ферритный ковкий
чугун допускается к применению только при pv = 20 кгм/см2 сек.
При этом как в сером, так и в ковком чугуне пластинчатый
перлит имеет преимущества перед зернистым, так как глобуляр-
ные включения карбидов легче вырываются из основной массы
и действуют как абразивы, повышая износ. Такой же вред могут
принести отдельные твердые включения карбидов или фосфи-
дов, в особенности при слабой ферритной основе. Если же фос-
фидная эвтектика в чугуне распределена в виде тонкой сетки,
то она приносит несомненную пользу, повышая сопротивление
износу как перлито-феррито-графитного, так в особенности пер-
лито-графитного чугуна.
При сухом трении наибольшими преимуществами обладает
белый, а также серый чугун с мартенситной или аустенитной
структурой. Поэтому термическая обработка чугуна или соответ-
ствующее легирование повышают износоупорность в указанных
условиях.
Большое и благоприятное влияние на сопротивление износу
оказывает графит: при полусухом трении он служит «самосмаз-
кой», а при жидкостном тре-
нии — впитывает и задержива-
ет масло, сохраняя непрерыв-
ность пленки. Наилучшей фор-
мой графита оказывается сред-
непластинчатая, не образую-
щая сетки. Мелкий графит, как
и мелкое первичное зерно, по-
лезные с точки зрения механи-
ческих свойств, оказываются
вредными в условиях износа.
Исследования показывают, что
близкое расположение и боль-
шая поверхность мелких выде-
лений графита облегчают усло-
вия окисления адсорбирован-
ным на графите воздухом, что
увеличивает износ (рис. 198).
Особенно увеличивает износ
м е ж д е н д р и т н ы й г р а-
ф и т, чему способствует еще
сопровождающий его структурно-свободный феррит. Однако
очень крупный графит также нежелателен с точки зрения изно-
120г
Линейное насЬицение графиту
Рис. 198. Влияние размельчения
графита на износ чугуна (линей-
ное насыщение графитом пред-
ставляет число пересечений вы-
делений графита линиями сетки,
приходящееся на 1 единицу
длины; чем больше линейное
насыщение, тем мельче графит!
Физические, химические и технологические свойства чигина
307
са, так как, выкрашиваясь, он образует большие поры и облег-
чает последующее вырывание основной массы.
При определении сопротивления износу большое значение
имеет не только количественное соотношение между структур-
ными составляющими, но и их взаимное расположение. Поэтому
выделения графита, образующие сетку и разобщающие основ-
ную массу, оказываются менее благоприятными, чем выделения
непересекающиеся. Точно так же структура «бычьего глаза»
в ковком чугуне менее благоприятна для антифрикционных
отливок, чем обычная перлито ферритная структура с равномер-
ным распределением углерода отжига,
б) Связь с другим^ свойствами. Многочисленные
попытки установления связи между износом (z) и твердостью
(Дв) чугуна вроде
1
Ж далеко не всегда оказываются плодотворными.
К Действительно, аустенитный чугун, имея малую твердость
Ж. (J40—180 //в), в то же время обладает большим сопротивле-
нием износу; фосфидная эвтектика, повышая твердость, не
^всегда уменьшает износ; форма графита, мало влияя на твер-
Я|'дость, сильно изменяет износоупорность чугуна. Эти примеры
К^показывают, что обобщающей связи между сопротивлением
^чугуна износу и его твердостью нет. Поэтому Н, И, Фейгин
Н^нашел только общую тенденцию повышения сопротивления
Якнзносу с увеличением твердости антифрикционного чугуна
•Р^рис. 199). \
L? Такая же зависимость найдена на тормозных колодках (нс-
ТО^Следования НИЮКТ):
Нв, кг!мм*......... 120 135 170 300
Из.юс, кг.......... 2,0 1,8 1,0 0 7
BL Добавочные факторы — наклеп, смазка, абразивное действие
1К Продуктов износа, твердость контртела и др,— часто нарушают
Жсвязь между сопротивлением износу и твердостью чугуна,
ж Отсюда понятна большая износоупорность мягкой аустенитной
«/Структуры, так как она связана с повышенной вторичной твер-
ф^Достью. Наличие графита изменяет условия смазки и поэтому
у)воздействует на износ без заметного влияния на твердость,
Значительное влияние могут оказать также продукты износа.
Мягкий эталон дает большое количество продуктов износа.
Которые, в свою очередь, увеличивают износ твердого и изиосо-
^1.;Упорного образца. Поэтому раньше считали, что минимум азно-
Са получается при одинаковой твердости истирающейся пары,
К 20»
.Ж'
Свойства чугуна
щейся * части, причем и условиях хорошей
вуемя- <1сп1нпчтия ми понос до (''.рвво^аноя
<lnont>i прореяа ЬО трм
Рат ИЮ. С(г,гл. между износом чугуна и ।
твердое! di.)
причем износ оказывается тем меньше, чем больше эта твер-
Дос],,. Одшшо в настоящее время установлено, что при равной
твердости работающей пары получается большее заедание.
Поэтому рекомендуется несколько меньшая твердость для ДОН-
------------------------ —...............тч смазки ’ твер-
дое!,, антифрикци-
онного чугуна не
должна превышать
180—200 77д. Таким
образом, связь меж-
ду твердостью и из-
носом при одной и
той же природе спла-
ва и в пределах од-
ного типа структур,
если и существует,
то может быть нару-
шена рядом побоч-
ных явлений,
в) В л и я н и с
с о става ч у г у-
и л. Влияние соста-
ва чугуна на сопро
тивлеипе износу определяется, главным образом, соответствую-
щим изменением структуры. Естественно, что элементы оказыва-
ют в этом отношении различное влияние в сером и белом чу-
гунах.
Уже указывалось, что увеличение количества графита и его
укрупнение до известного предела уменьшают износ. Поэтому
увеличение содержания углерода в сером чугуне (до 3,4—3,8%)
сказывается часто полезным, в особенности при жидкостном
трении и в тех случаях, когда устраняется образование меж-
депдритного графита. В белом же чугуне влияние углерода
зависит от характера износа и абразивной среды. Например, по
исследованиям К. П, Бунина (рис. 200), углерод, увеличивая
количество ледебуритной эвтектики и твердость белого чугуна,
уменьшает его износ. При ударной же нагрузке повышение
содержания углерода, понижая прочность чугуна, оказывается
уже отрицательным фактором.
Нешк родствен ное влияние кремния путем образования рас-
1нора с ферритом оказывает благоприятное действие на сопро-
тивление износу, что подтверждается соответствующим умень-
шением износа белого чугуна.
В сером же чугуне влияние кремния1 определяется, главным
образом, его графитизирующим действием и зависит, согласно
исследованиям, от характера трения (рис. 201).
Физические, химические и технологические свойства чугуна
309
Кремний уменьшает износ при качении и увеличивает его
при скольжении. Это объясняется тем, что при трении второго
рода преобладает благоприятное
1-раствора, а при трепни первого
структур ио-свобод шип феррита
действия кремния влияние его,
при низких концентрациях (до
2—3%) выражается в слабой
влияние графита и легирования
рода — отрицательное влияние
Ввиду такого двойственного
Рис, 201. Влияние кремния на из-
нос серого чугуна
Рис, 200. Влияние элементов
на износ белого qvrvini в от-
сутствии ударной нагрузки
степени. При больших же концентрациях роль кремния усили-
вается: с увеличением содержания кремния износ при качении
интенсивно падает, а при скольжении — увеличивается.
Отжиг чугуна соответственно увеличивает износ вследствие
уменьшения твердости и количества связанного углерода. При
высоком же содержании кремния (5—6%) ферритная структура
образуется в отливках как до, так и после отжига, поэтому
изнюсоупорпость в обоих случаях оказывается одинаковой.
Марганец в пределах до 1,5%, согласно литературным дан-
ным, незначительно понижает сопротивление чугуна износу
(рис. 202), При больших же содержаниях он отбеливает Чугун,
размельчает перлит пли образует мартенситную структуру, что
Увеличивает износоупорность чугуна, в особенности в нейтраль-
Ной атмосфере. При этом заметно увеличивается коэфипиент
трения чугуна (до 0,8).
Сера, повышая количество связанного углерода, (жашпшгт
благоприятное влияние на сопротивление износу, в особенности
При сухом трети! п при трении скольжения. В белом нугго
310
Свойства чугуна
где сера не изменяет твердости, она оказывает отрицательное
влияние на сопротивление износу вследствие выкрашивания
сульфидов. Так же неблагоприятно влияние серы вследствие
образования при сгорании сернистых газов, способствующих
износу, Поэтому содержание серы в отливках двигателей внут-
реинего сгорания не
должно превышать
0,10—0,14%.
Благоприятное вли-
яние фосфора сказы-
вается как при фер-
ритной, так в особен-
ности при перлитной
основной массе, преи-
мущественно при тре-
нии скольжения и при
работе чугуна против
стали. Во всех случаях
необходима прочная
связь между фосфид-
ной эвтектикой и ос-
новной массой чугуна,
иначе фосфиды будут
легко выкрашиваться и
в качестве абразива
повысят износ пары.
Поэтому обязательным
условием благоприят-
ного влияния фосфора
Рис, 202. Влияние элементов на износ се-
рого чугуна
на сопротивление изно-
су является выделение фосфидной эвтектики в виде тонкой сет-
ки в прочной перлитной основе, При ферритной же основе влия-
ние фосфора благоприятно только при сравнительно небольших
удельных давлениях- Содержание фосфора в износоупорном чугу-
не рекомендуется в пределах 0,3—1,0%. Так как работа фосфи-
дов друг против друга может быть опасной с точки зрения
износа, то при трении чугуна против чугуна содержание фосфо-
ра должно быть меньше, чем при работе против стали. Точно
так же содержание фосфора в толстостенном литье должно быть
ниже, чем в тонкостенном во избежание выделения фосфидной
эвтектики в грубой форме. Для подшипников, ввиду требований
хорошей прирабатываемости, применяют обычно чугун с низким
содержанием фосфора (до 0,3%). Наоборот, во всех случаях,
где необходим высокий коэфиодент трения, фосфор оказывается
полезным.
Физические, химические и технологические свойства чугуна
311
Влияние легирующих элементов на сопроти-
вление чугуна износу весьма положительно
н во многих случаях превосходит их влияние
на механические свойства. При этом действие леги-
рующих элементов определяется соответствующим изменением
структуры основной массы чугуна, формы графита, склонности
к окислению, а также состава и строения карбидов. Как прави-
ло. можно считать, что карбидообразующие.элементы, повышаю-
щие твердость чугуна, оказывают благоприятное влияние, глав-
ным образом при трении скольжения. Элементы же, образую-
щие твердые растворы и повышающие вязкость чугуна, дейст-
вуют менее эффективно и уменьшают износ главным образом
при трении качения.
Сопоставляя влияние различных элементов на сопротивление
износу чугуна до и после термической обработки, можно видеть,
что наиболее интенсивно и благоприятно действует' хром,
а также сочетание хрома и никеля (рис, 202). Поэтому присадка
в шихту природно-легированного халиловского чугуна повы-
шает сопротивление износу автомобильного, станочного и проче-
го литья; также благоприятно и эффективно влияние молибде-
на, а по некоторым данным и ванадия.
В противоположность карбидообразующим элементам, никель
при низких концентрациях оказывает очень слабое влияние на
износ чугуна. Резкое повышение износоупорностз, как показы-
вают литературные данные, наступает только при мартенситной
и аустенитной структурах,
например при содержании
никеля больше 5% (рис.
203). Медь оказывает бла-
гоприятное влияние на со-
противление износу уже при
малых содержаниях, что
объясняется ее субмикро-
скопическими выделениями,
с одной стороны, и умень-
шением окисляемости основ-
ной массы, с другой сторо-
ны. Однако исследования
показывают, что благоприят-
ное влияние меди сказы-
вается, главным образом,
при трении скольжения
(рис. 204). При трении качения и при абразивном действии
влияние меди почти незаметно.
Из остальных легирующих элементов, несколько
Щих износоуиорность чугуна, следует отметить титан и
Рис. 203. Влияние никеля на износ
чугуна:
1 — мжртенсигяая структура»» 2 *— троостжта*
сорбктнад структура; 3 — мряитиая струм-
повышаю-
в особен-
312
Свойства чугуна
пости бор, который я мартенситном никелевом чугуне сильно
н он 14 i.i । ист । верность и со-протцвление износу.
Что касается сопротивления эрозии и кавитации, то оно
определяется, главным образом, структурой металла. Наиболее
-т<riiKiuM материалом и этих условиях оказываете» тот, который,
наряду е антикоррозионными свойствами, имеет высокий предел
Фгррито - A^cfnenutntibni
nupjiumnl)iu чини»
чугун
Рис. ’.W. Влияние мели на
гнпос чугуна;
I - • .?!iTte и песочную фг>рА*;'
;;гц-.ю отжиги: 3 — лт1Т£>с п кг-
ki.Pi п/,с.гг- ог/Kinii; ') —- .'rsrrj.e
Ji н осу- сн-*.|ггл
Рис. !10Г>. Влияние структуры и твер-
.iciTii чсгуий тгз потери яря эрозии
усталости, однородную структуру, свободную от включений, пор
и ликвации, высокую вязкость п главное — высокую износоупор-
ность. Литературные данные показывают, что потери при эро-
зии резко уменьшаются с увеличением твердости чугуна и в
сильной степени зависят от структуры (рис. 205). Особенно
стойка в этих условиях аустенитная структура, что находится
и соответствии с ее нзносоупориостью, вязкостью и однород-
ностью.
г) Влияние и <'которых других факторов. Из
нагих факторов, влияющих на износоупорность чугуна, следует
ир’.окж.’ песто указать на модифицирование, которое создает
однородную перлитную структуру и препятствует образованию
,н‘/г;ленлр'1'’П10го графита, вследствие чего сопротивление взносу,
огласил литературным данным, сильно возрастает (табл. 28).
Эти преимущества сказываются особенно сильно при повы-
;.;<-пных давлениях и абразивном износе. Например, по иссле-
Физические, химические и технологические свойства чугуна
313
Таблица 28
Влияние модифицирования на износ чугуна
Матсом веские «"Никитк;! Износ, f Структур»
3 1, t. K-Ti nr стали ПО чугуну
Исходный чугун 26.7 45,6 3.6 0.60 0,60 Глобулярная
Чугун модифицированный: структура и сетчатый гра- фит
1 Дендритная струю
FeTl+FeSi 31,8 31,6 58,1 51,9 13 2 0 34 0,05 0.04 I тура и дезори-
SiCa 9,1 0,24 j евтированный ( графит
дованиям Е. М. Розенберга, модифицированный чугун не обна-
ружил преимущества перед обычным перлитным чугуном при
давлении ниже 10 кг/см'1, но показал на 15% меньший износ
при давлении 10 кг/см2 и на 45% меньший износ при давле-
нии 20 кг/см2. При абразивном износе модифицированный чугун
успешно конкурирует с марганцевой сталью, стойкость которой
в этих условиях, как известно, не очень велика:
„ * валки ДЛ5]
Дробмьяые дробления
Срок службы отливок; "цл,л1"‘ щебни
из марганцевой стали .... 3 недели 4 педели
из модифицированного чугуна . 3 месяца 3 месяца
Шестерни
3 месяца
15 месяцев
Влияние остальных факторов на износ чугуна определяется
соответствующим изменением структур основной массы и гра-
фита. Поэтому термическая обработка, размельчая структуру
Рис. '306. Влияние лзотцроиаппи цк[
ИЗНОС чугунных гильз
и повышая твердость чугу-
на, может значительно по-
высить износ, в особенности
при трении скольжения и в
отсутствии смазки, и может
действовать в обратном на-
правлении при обильной
смазке.
Весьма благоприятно вли-
яние химико-термической об-
работки, например азотиро-
вания. сильно повышакяиггп
сопротивление износу (рис.
206). Наоборот, поверхностная закалка кислородно-ацетилено-
вым пламенем может оказать отрицательное влияние вследствие
окисления графита на поверхности отливки. После такой тер-
мической обработки необходима поэтому шлифовка.
314
Свойства чугуна
Уменьшение скорости охлаждения, в частности увеличение
До известного предела толщины стенок отливок, повышает со*
противление износу вследствие укрупнения графита и образова-
ния благоприятных по форме пластинчатых выделений.
Высокий перегрев чугуна и другие технологические факторы,
размельчающие графит или выделения фосфпдиой эвтектики,
могут положительно или отрицательно влиять на износ в зави-
симости от характера изменения структуры чугуна,
3. СОПРОТИВЛЕНИЕ КОРРОЗИИ
Коррозия, т. е- химическое или электрохимическое разруше-
ние чугуна, приводит к безвозвратным потерям, понижению
прочности деталей или даже самого металла (межкписталлит-
ная коррозия) и приносит народному хозяйству колоссальные
убытки. Понижение прочности проявляется, главным образом,
при знакопеременных нагрузках. Хотя чугун в этом отношении
ведет себя лучше стали, вследствие меньшей чувствительности
к надрезам, все же и для чугуна (в особенности при высокой
прочности) коррозионный предел усталости ниже обычного.
Теория коррозионного разрушения подробно разработана
в капитальных трудах советских ученых — В. А. Кнстяковского,
Л. В, Пнсаржевского, А. Н. Фрумкина, Г. В. Акимова,
В. О. Крен ига, В, В. Скарчеллетти и А. Н. Шултина и др.
Однако следует иметь в виду, что результаты коррозии
зависят от большого числа внутренних и внешних факторов;
от состава, строения и характера поверхности металла, наличия
в нем напряжений и деформаций, состава и подвижности агрес-
сивной среды и ее температуры, наличия катализаторов и т. д.
Поэтому точный теоретический прогноз коррозии, как и всякого
поверхностного явления, еше не всегда осуществим.
Характеризуя устойчивость сплава в химическч агрессивных
средах, определяют обычно потери металла в г/м3час (потери
в 1 г!м3час означают уменьшение толщины чугунной отливки
на 1,2 мм в год):
Потери, г!м* час . <0,1 0,1-1,0 1,0-3,0 3,0-10,0 >10,0
Устойчивость ме- Вполне Достаточно Относитель- Малоус- Неустой-
талла........устойчивый устойчивый но устой- тойчивый чивый
чниый
Скорость атмосферной коррозии значительно меньше и опре-
деляется иногда для чугуна в 0,02 г/м3час в начале процесса,
а с течением времени еще больше снижается вследствие обра-
зования защитной пленки. Эти пленки толщиной в несколько
ангстрем во многих случаях переводят сплав из активного со-
стояния в пассивное (явление пассивирования) и резко умень-
шают скорость коррозии в разных средах.
Физические, химические и технологические свойства чугуна
315
Коррозия может быть равномерной, местной и меж-
кристаллитной. Последняя является наиболее опасной
формой коррозионного разрушения. Этой коррозии подверже-
ны, например, высоколегированные сплавы с ярко выраженными
границами зерен. Вследствие выделения по грантам зерен
специальных карбидов или других соединений, твердый раствор
обедняется легирующим элементом, что приводит к понижению
его потенциала и к коррозии по границам зерен. В результате
подобного процесса отливки теряют металлический згой я
прочность. Межкристаллитная коррозия наблюдается часто при
воздействии щелочей на чугун и в этом случае носит название
«каустической болезни».
к Особой разновидностью коррозии чугуна является так на*
| эываемая «графитация» чугунных отливок, например, в почве.
I Разрушению подвергается при этом металлическая масса чугу-
| на; остается же преимущественно графит, фосфидная эвтекти-
I ка и продукты коррозии — губчатая масса удельного реса
г 3,5—3,8 г/см3. Так, например, в чугунной трубе после подобной
и коррозии найдено, согласно исследованиям А. М. Бочвара и др.,
следующее изменение состава:
SK % Мп, % р. %
До коррозии . . *2,30 0,74 0,33
После коррозии . 4,48 1,18 2,27
S. % Ее. % Сгр. % С^д, %
0,2 03,0 2,16 3,4
0,2У 40.В 8,2*3 11,52
а) Влияние структуры чугуна. Идеальной структу-
рой, с точки зрения электрохимической теории коррозии, являет-
ся однородная и однофазная структура металла. Поэтому чис-
тое железо, ферритные и аустенитные стали при прочих равных
условиях характеризуются высокой коррозионной стойкостью,
По той же причине ковкий чугун, благодаря своей однородной
ферритной корке на поверхности, отличается сравнительно боль-
шим сопротивлением коррозии. Однако чугун по своей природе,
в противоположность стали, не может иметь однофазную струк-
туру и содержит по крайней мере две структурные составляю-
щие: а - или ^-раствор, с одной стороны, и графит или карбиды,
с другой стороны. Все же, несмотря на наличие графита, кри-
сталлизация (ферритная или аустенитная) без последующих
Превращений в твердом состоянии обеспечивает обычно, при
прочих равных условиях, более высокое сопротивление корро-
зии, если, конечно, состав твердого раствора является химиче-
ски стойким.
Несмотря ка то, что влиянию графита и основной массы чу-
гуна на коррозию посвяшено много исследований, в литературе
существуют до сих пор противоречия по этому вопросу. <3 одной
стороны, более крупный и редко расположенный графит повы-
шает сопротивление коррозии благодаря уменьшению количества
316
Свойства чугуна
микропар; с другой стороны, крупные выделения графита спо-
собствуют коррозии вследствие повышения пористости и пре-
ткновения электролита вдоль пластинок графита. Поэтому
форма графита, согласно литературным данным, может и не
оказать большого влияния на процесс коррозии чугуна:
Коррозионная сред»
Потери от коррозии, %:
пластинчатый графит . . .
углерод отжига ......
Азотная кислота
(Ю щей)
и
12,4
Уксусная кислота
(10 лжей)
9,5
10,2
(Воздух
60 дней)
0,62
0,81
Наиболее благоприятными по форме являются средние по
величине, не пересекающиеся пластинчатые или округленные
выделения графита, обеспечивающие высокую плотность чугу-
на. Поэтому чугунные трубы, отлитые центробежным способом,
оказываются более стойкими вследствие большей плотности,
(этому способствует также защитная окалина, получаемая после
отжига). Во всех случаях следует избегать междендритной фор-
мы графита, так как многочис-
ленные мелкие выделения спо-
собствуют коррозии вследствие
увеличения числа микропар и
поверхности фаз.
Так как химическое разру-
шение чугуна начинается вдоль
выделения Графита, то нельзя
пренебречь его количеством
при оценке коррозионной стой-
кости, в особенности при силь-
ных реагентах (кислотах). По-
этому, чем меньше содержание
общего углерода и графита в
чугуне и чем больше содержа-
ние связанного углерода, тем
выше обычно сопротивление
коррозии. Однако в пределах
феррито-перлитной структуры
основной массы чугуна коли-
Рис. 207. Влияние количества свя-
занного углерода в чугуне на сопро-
тивление коррозии
чество связанного углерода имеет небольшое влияние, а в не-
которых средах (уксусной кислоте) ферритная структура
оказывается даже предпочтительнее. В азотной и соляной
кислотах, как показывают исследования, максимальной кор-
розионной стойкостью отличаются половинчатый и белый
чугуны (рис. £07). Это объясняется не только более высокой
химической стойкостью карбидов, но также меньшей электро-
движущей силой пары Fe—Fe»C и меньшим числом этих пар
по сравнению с системой Fe—Сгр'Однако в крепкой серной
Физические, химические и технологические свойства чугуна
317
кислоте структурно-свободные карбиды увеличивают коррозию
и поэтому недопустимы.
Можно отметить, что наиболее отрицательно графит дейст-
вует в неокислительпых кислотах (соляной, уксусной и Др.),
где процесс коррозии идет с выделением водорода на катоде,
Многочисленные выделения графита, служащие катодами, бла-
гоприятствуют поэтому коррозии. В окислительных же кисло-
тах, например азотной, графит не является уже столь отрица-
тельным фактором и серый чугун в этих условиях является
стойким материалом.
В соответствии с теорией электрохимической коррозии
повышение дисперсности основной массы, увеличивая количе-
ство микроэлементов, уменьшает коррозионную стойкость чугу-
на. Поэтому закалка и низкотемпературный отпуск увеличива-
ют его коррозию. Повышение же температуры отпуска (до 700°)
возвращает структуру чугуна в исходное состояние, а вместе
с нею и потери при коррозии.
б) Влияние состава чугуна. Сопротивление корро-
зии, как химическое свойство, в сильной степени зависит от со-
става чугуна. При этом большое значение имеет не только изме-
нение структуры чугуна, но и изменение сост а в а структурных
составляющих, Поэтому легирование является важным спосо-
бом защиты от коррозии, в особенности при воздействии силь-
ных реагентов (щелочей, кислот). В нейтральных средах состав
чугуна имеет небольшое значение.
Повышение коррозионной стойкости путем легирования
достигается прибавкой элементов либо с высоким потенциалом
(Си, Ni, Мо)т либо способных образовать защитные пассиви-
рующие пленки (Сг, Si, Al).
Резкое повышение коррозионной стойкости (граница стойко-
сти) наступает при1 ’/a, Vs, Vs- rt/e молярных долей легирующего
или пассивирующего элемента. В весовых процентах, следова-
тельно, границы стойкости составляют:
V» Молярные доли: "Л V.
Для хрома, % 11.7 23,4 36,0
* кремния, % , . . , 6,7 14,4 2,3,0
» алюминия, % . . . 6,4 13,8 22,0
• никеля, % . . , . 12,8 25,4 38,0
Однако указанные
границы стойкости правильны только
при равновесной структуре и повышаются с удалением от рав-
новесия (закалка, напряжения и т. д,).
Следует иметь‘в виду, что все факторы, уменьшающие кон-
центрацию легирующего п'лн пассивирующего элемента в твердом
растворе ниже границы стойкости, резко повышают потери от
коррозии. Так как с увеличением содержания углерода, связы-
318
Свойства чугуна
вающего хром в карбиды. соответственно обедняется твердый
раствор, то поэтому требуется повышение содержания хрома
в сплаве.
Ст 11.7 -Н ЮС (131)
или
Ст --10 г ИС (131а)
При рассмотрении влияния отдельных элементов следует
указать, что кремний в обычных пределах (до 3%) почти не
изменяет коррозионной стойкости чугуна в растворах солей. В
щелочах кремний, согласно имеющимся исследованиям, оказы-
вает явно отрицательное влияние вплоть до первой границы
стойкости (около 7%), после чего скорость коррозии, хотя
и уменьшается, но остается на высоком уровне (рис. 208). Такое
влияние кремния объясняется кислотным характером его окисла,
образующего пленку, Что касается коррозии в кислотах, то,
согласно большинству исследований, кремний увеличивает кор-
розию в пределах до 3% вследствие укрупнения графита и раз-
рыхлен 1 я структуры. При более же высоком содержании крем-
ния химическая стойкость чугуна в кислотах резко увеличивает-
ся, в особенности при второй границе стойкости (14,4%). Эти
сплавы (ферросилиды) очень стойки в ряде кислот — азотной,
Рис. 208. Влияние кремния на коррозию чугуна в кислотах и щелочах
фосфорной, уксусной и особенно серной, по отношению к кото-
рой не имеют себе равных, Они стойки также в растворах солей
но легко корродируют при воздействии соляной кислоты, креп-
ких щелочей и фтористых соединений, разрушающих защитную
пленку.
Влияние марганца па коррозию чугуна в кислотах и в воде
выражено в слабой степени, по в пределах до 0.5—0.7% может
считаться в некотрой мере благоприятным, что объясняется
уплотнением структуры чугуна. При большом содержании мар-
ганца сказывается уже его сорбитизирующее влияние, вслед-
Физические, химические и технологические свойства чугуна
319
ствие чего скорость коррозии повышается. Влияние марганца на
химическую стойкость в щелочах значительно благоприятнее.
В этих условиях применение его в некоторых случаях ограниче-
но вследствие окрашивания им щелочей в коричневый цвет.
Влияние марганца на коррозию и морской воде незначительно.
Сера, в противоположность марганцу, уменьшает химическую
стойкость чугуна как в кислотах, так и в щелочах, но действие
ее в кислотах значительно
сильнее, Влияние сульфидоз
объясняется образованием
дополнительных микроэле-
ментов и уменьшением за-
щитных свойств пленки око-
ло сернистых соединений.
Кроме того, при взаимодей-
ствии сульфидов с электро-
литом образуется сероводо-
род, повышающий коррозию
чугуна. Поэтому в отливках
для химического машино-
строения всегда следует
стремиться к минимальному
содержанию серы.
Влияние фосфора на
коррозионную стойкость вы-
Рис. 209. Влияние фосфора на корро-
зию чугуна з кислотах и щелочах
ражено весьма неясно и оп-
ределяется тем, что фосфид-
ная эвтектика сама по себе.
Как и графит, обладает весьма высоким сопротивлением корро-
зии, но создание дополнительных микропар действует в противо-
положную сторону. Некоторыми исследованиями найдено повы-
шение химической стойкости чугуна в кислотах при увеличении
содержания фосфора до U.4—0,6%, Тагже благоприятно влия-
ние фосфора на коррозию в нейтральных средах и в атмосфере.
В щелочах фосфор увеличивает скорость коррозии (рис, 209).
Влияние легирующих элементов на коррозию проявляется
с наибольшей интенсивностью при высоких концентрациях (гра-
ницах стойкости). Характерным примером может служить
никель, который только при 15% резко снижает коррозию чугу-
на в серной кислоте. В то же время можно отметить интенсив-
ное снижение коррозии в щелочах уже при введении сравни-
тельно небольших добавок никеля, как это видно из следующих
литературных данных:
%............ 0,0 3,8 6.5 16.6 19,5 22,2 28,9
Потерн я щелочах.
г/м*час ..... 1,5 1,0 1,0 0,63 0,13 0,07 0,008
320
Свойства чцгцна
Рис, 210, Влияние хрома на корро-
зию чугуна
В противоположность никелю
При этом действие никеля оказывается тем сильнее, чем
ниже содержание кремния в чугуне, чем агрессивнее среда
и выше температура. Однако и здесь нанлучнше результаты по-
лучаются в высоколегированном чугуне при аустенитной струк-
туре.
Влияние хрома, как показывают исследования, в некоторой
стопени благоприятно уже при небольшом содержании (до
кислотах и в морской воде
(рис, 210), благодаря уплотне-
нию структуры и уменьшению
степени графитизации. При
большом содержании хрома
(от 12 до 30%) чугун оказы-
вается химически стойким во
многих средах: кислотах, ще-
лочах, солях и особенно в азот-
ной кислоте вследствие образо-
вания оксидной пассивирую-
щей пленки; при этом стой-
кость вью окохромового чугуна
гем больше, чем выше концен-
трация азотной кислоты. На
оборот, в соляной кислоте
оксидная пленка разрушается
вследствие воздействия хлор
ионов, и хромовый чугун пере
ходит в активное состояние,
и хрому, медь действует бла-
гоприятно при малом содержании, в особенности в соляной
кислоте, в морской воде и в обычной и промышленной атмосфе-
рах. В щелочах же и солях влияние меди незаметно.
Благоприятное влияние молибдена на сопротивление чугуна
коррозии сказывается только в- комбинации с другими элемен-
тами, осуществляющими основную защиту. Для примера ука-
жем, что добавка 3—4% Мо к ферросилиду сильно повышает
стойкость сплава в соляной кислоте,
Коррозионная стойкость является, таким образом, функцией
не только состава и структуры чугуна, но и реагирующей среды
и условий ее воздействия. Поэтому подбор оптимального соста-
ва коррозионностойкого чугуна требует знайня не только общих
принципов влияния элементов, но и конкретных, эксперимен-
тально определенных зависимостей от состава, концентраций,
температуры среды и других условии воздействия на чугунные
отливки.
в) Влияние других факторов. Влияние других фак-
торов на коррозию чугуна вполне определяется соответствую-
Физii<хплисгееаиp и технологаческа с свqs{ства
Шим изменен।<ем макро- и мiидкютруктуры, Так. например,
перегрев чугуна и. его xto.-'i.urlr.iца[гшанне ।низыи।ян'1г corip<e 1ют-
Нис коррпзпи. 1 l<> iчч'ледиваtи।нм II. С,. I коруи ниш-
t 1 Ч 71 * 1 ’ 1 стой кое i'j। иуч уча, . ю. и I’iiB.'i 1111' । 111 ШИШ Л С К ! (ДО !%) И хром
(до 0,5%): Кер резист Ho ;| среда НЛСП I1 !% H.So, Н' Щ' О ,Ч) I1.SO, г % си^соок Ха.,СО,
го.г- 1:.ЮТ5° 1С—от 1с—15" 500 =
Потере легированный чугун 0,!20 0,25 \8 2.5
мо-Шфпцировап- ИЫИ чуй и h г По 0,15 0,35 3,3 гД
Так же благоприятно действует повышел нс температуры
перегрева и залквхц чугуна на отливки содовых котлов, так
как лучшая дегазация и большая плотность чугуна в этом слу-
чае имеют споим следствием повышение ютррочаоннонстойкости:
Температура илши .... Высокая Средня:! Назхак
Ст<.1Г! Ii садовых котлов
('|||(-.Т11 кам I [ at 111 я)..... IK) 108 75
Следует подчеркнуть, что бо.щ>шо<’ влияние па коррозию
в атмосфере и химических реагентов имеет также литейная кирка,
состоящая из окислив и си.чнкатон железа и повышающая ино-
гда коррозионную с'гошюегь чугуна на 30—40‘ф. Однако литей-
ная корка оказывает свое благоприятное влияние только н том
случае, если опа цела. Г1ры нарушении же сплошности литейной
корки, она может даже способствовать коррозии, образуя пару
с обнажившимся металлом. Поэтому, несмотря на наличие
литейной корки, во многих случаях пользуются все же защит-
ными покрытиям?; для повышения стойкости против коррозии
(асфальтирование пли осмолка труб, эмалирование посуды
а санитарных отливок, оцинковка ковкого чугуна и т. д.) ".
4. жаростойкость и сопротивление росту
Отливки, работающие при повышен пых к высоких темпера-
турах, подвергаются рют'.ру111отшил вследствие окалниобразова-
ния и роста. Таш.шы лютл-ты hotc.'i и 'внык, iLeMen'raHiioiiiitui'
И 1тлагн1.'1 ниыс । uptiiMi, муфелк п по шум.'вагрепа шлн. налгш для
горячен т 1 i !ч .' ]<; 11 к н метал,ii;i, : i зш । ж I л и и т и I. Д. В зашк'п.ши'гн от
Того, Ш1ЛШ..’|)г,тютеа ла при ш и нн лаили 'ютиню) коррозии ршн-
Слеш'.ю) пли т;шл-.г бол г с или мгисс :ш;: г тп елы н .| на ;;>v n.-'i’!,
,___
1 1 hn'l ро! л-iOi,? Рассмотрен lie м СТОЛОН [i IЛ К [ Н-I ! U >1 liXU-tilT в '.HHtilCV entJjIi;-l Ej-
КЬ1Х Курсон.
Сммства чигуна
чугун должен быть жаростойким пли одновременно и жаро-
прочным. В последнем случае, наряду е сопротивлением коррозии
и росту, чугун должен сохранять в максимально возможной сте-
пени спело жесткость и пластичность при повышенных темпера,-
'lyi'ax. При высоких температурах механические свойства чугуна
очень ннзкп независимо от его состава, и пиотому значение,
имеет только жаростойкость,
а) Механизм коррозионного разрушения
и роста чугуна. Жаростойкость представляет собой сопро-
тинлеиие газовой коррозии при повышенных и высоких темпера-
турах. Процесс этой коррозии (в большинстве случаев-—окисле-
ния) характеризуется общими законами химической коррозии.
Скорость процесса экспоненциально повышается с температурой:
___ц_
W - се кГ ’ (132)
где IV — потерн в весе от окисления:
U и Т — оперjii;ч активации и температура процесса.
Процесс i।ачя11ается с адсорбции и химического соединения
кислорода с металлом. Образующаяся тончайшая оксидная
пленка тор.молчт дальне'аишн ход процесса, седц она непрерыв-
на и плотна, прочно сцеплена с основным Металлом, химпчесы1
стоГно! и окружающей среде, имеет примерно одинаковый кюы
фацнсчгг расширения с металлом п удовлетворяет условию;
" «>1(_ , в мг:т । Q
Д.мст
где IVa(fn IV мст—молекулярные веса окисла и металла;
d,iK и dмет - УД- веса окисла п металла.
В противном случае пленка, имея меньший объем, окажется
растянутой основным металлом и образует трещину. Такие
пленки получаются при известном содержании хрома, кремния
и алюминия, которые и применяются- для повышения жаростой-
кости чугуна.
Как показали исследования, плотность оксидной пленки ня
чугуне выше, чем на стала., в особенности при температурах
750- -85(У’. Поэтому п скорость окисления чугуна в этом интер-
вале также меньше. При более же гысокпх температурах ско-
рости окисления чугуна ц стали пыршипшаются.
При ьаби-те чугунных отливок в условиях повышенных и вы-
соких РК'М He.'MIT УР Кроме обычно/) КО] ,])<).!1Ц| (окиСЛ'СППя) П,'1бЛ:О-
.!етг1' е.гч'-.ма опасное ц характерное для чугуна явление, юио-
р-ое i-r.ьазиание роет а. Ойо закшочаетея и необратимо',!
увешен..... объема, воарж'гаюШсм во времени и с температурой.
!!араял'- ।: г'> с унелпченпсм объема происходит уменьшсшь-
удельного веса и падение прочности. При неблагоприятных
Физические, химические и технологические свойства чугуна
323
Рис. 211. Структура чугуна по-
сле 30 колебаний темпе натур м
между 600 и 950= (X 250).
коррозии) резко понижаются
условиях увеличение объема может достигнуть 30—50%,
а иногда и 70% при падении прочности в несколько раз. При
правильном же выборе состава металла рост может быть сни-
жен до незначительной величины.
Кинетика роста характеризуется начальным инкубационным
периодом, величина которого оказывается тем меньше, чем выше
температура, после чего скорость
процесса сначала быстро возра-
стает, а затем уменьшается,
В противоположность ползу-
чести, увеличение размеров отли-
вок при росте происходит даже
в отсутствии напряжений в яв-
ляется, главным образом, след-
ствием коррозионных процессов
(окисления). Однако окисление
в дашюм случае распространяет-
ся по всему объем)' отливки, при-
чем окиелы распола( аются преи-
мущественно вдоль выделений
графита (рис, 211).
Таким образом, я и л еи п е
рост а в и е к о т о р о м с м ы с-
леи о д о б н оме ж к р и с т а л-
лнтно п к о р р о з н и. только
роль границ зерен в этом случае
играют выделения графита. Ука-
занная аналогия определяется
также тем, что в обоих случаях
(при росте и межкристаллитной
механические свойства металла,
В литературе принято рассматривать рост не только как
результат окисления железа и его примесей («вторичный рост»),
НО гак же, как результат графитизации («первичный рост») и ме-
ханического пли каталитического воздействия газов. Однако
значение «первичного роста» весьма ограничено,
При распаде карбидов во время роста чугуна происходит
Обычно графитизация в размере нс более 0,1—0,5% С. Этому
соответствует увеличение размеров, отливок в пределах 0,07—
0.35%, в то время как при роете оно достигает 2—3 и даже
10%. Кроче того, нри !'риф!11|.зачли ие наблюдается такого
катастрофического налепим прочности чугуна, как при рпссо.
Пласгшнчжло же свойства, шкюорг.гг, даже возрастают при । ра-
Фитизацвл, в то время как при роете они резко понижаются.
Поэтому графитизацию, несмотря па сопутствующее ей Ш’кХ
21’ X
324
Свойства чугуна
рос увеличение, размеров, нельзя считал!., нетюс.релствскнои ппн-
чшюЦ, ответстнюнюГ! за явление роста. [’месте с тем rp^tfji'TTr-
3. I! 11 н ЩЧЩ(,Л!,КО разрыхляет СТ |! у к ту J) у, I :г'>.; I Ч'11Л ет Г1р<ШИЮК)Ш'-
Ш!е I'ilBOl; [Г окисление Чугуна, И СЛСД(;Ш; 11ш.1:।[j рост ОТЛИВОК.
Примерно 'го же Можно еиазап. о влиянии прпеутстну кшшх
'ivivne газов. Опыты показали, что нлашш и вакууме умеш>-
шаег рост: ।
рост чугуна после обыч|-:о;"| п.тпвкн, % 4-5 2.5 1,9
i> » i> плавки в Еакууж, % . fy, 1,5 0h3] 0J5
Выше указывалось, иго растворенные в чугуне газы, в част-
ности водород, диффундируя и ассоциируя в порах металла,
могут вызнать значительные давление и напряжения в чугуне.
Образующиеся при этом микроскопические трещинки способ-
ствуют диффузии окислительных газов н явлению роста. Таким
образом, и газы только косвенно способствуют росту. Механизм
же явления заключается в окислении железа и его
пр имесей.
В соответствии с уравнением (132), рост чугуна в ецлыг.ш
степени зависит от температуры. В пределах де» 400—4 50'-' рост
чугуна обычно мало заметен и не превышает 0J % даже после
ООО-часовой выдержки. Однако в, атмосфере перегретого газа
наблюдается заметный рост чугуна даже, в указашиш тег-шер,т
чурном интервале. Поэтому нс допускается применение чугун-
ной арматуры для температур пара свыше 230---300Й
С повышением температуры рост отливок быстро увеличи-
вается-, в особенности при многократном прохождении через
’ 'иг. 2 [2. О и piDie neiicpxftfjmiMx
liri.H-iut (сетка pirirapa) при псремепаом
11:iгitc11<’ и <>x.!;iждеиr,ii qvrvn;i
критический интервал.
Таксе колебание темпе-
ратуры, а также неравно-
мерный нагрев приводят
к образованию напряже-
ний и трещин как па по-
верхности отдпвкп (сетка
разгара), так и внутри
нее (рис. 212).
Указанные папряже
пия являются следсч
1.шс.м г|емпературпого ш
ре1;;.1дз и отливке п ргщ
жшремешюго нрохож..:-.-
пня фл.лч’Есх iijH-npaiKi'iiini или пронесли растгюрешш п выде-
ления графита, итущих с и -ын-иепием обтюма. Обра.зошшпе ш-.':
гшиявием этих напряжений т] ч.ш.и н г способствует п рои и ш । оы
нию газов, а слсдог-агсльпо окислению п росту чугуна.
Физические, химические и технологические свойства, чугина 32Р
б) Влияние структуры чугуна. Количество и форма
['рифптя в 3ini4jrt4<:i.i=..<г морс определяют поведение чугуна при
и;;выHlеilii ых и iji.kh л.их тех: пера i у p;ix В условиях газоной кор-
|,кхгП1. Особенно велико вл ня [тс выделении 1'рафнта на [юг г
чугуна, так как п рои я хповепш1 ою icm i [тел иных галоп пронсхедвт
Рис. 213. [Оиянпе графа о; на рост 'orvaa (X ИЮ).
вдали ятях в-ыясленлИ. Исследовании i к > вал f.t на тот, чао е умен ь-
Шеннем к о л И ч с с г в а п с р азме льчсинем гр афита
рост чу г у и а р е з к о у м е и ь ш а е т с я (рис. 213),
Белый чугун вследствие отсутствия графита является1 отлич-
ным материалом в отношении жаростойкости и роста в тем
большей степени, чем стабильнее его карбиды. Поэтому отливки,
ре бодающее при высоких температурах, не испытывающие
больших нагрузок, особенно ударных, и нс требующие механиче-
ской обработки, с успехом отливают из белого чугуна Таковы,
Например, горшки для отыми а ковкого чугуна, выдерживающие
20—40 циклов вместо 5—10 в случае изготовления их из серого
чугуна. Точно так же п ковкий чугун, вследствие большей плот-
ности и выделения графита в форме округленных не пересека-
ющихся гнезд углерода отжига, отличается более высоким со-
противлением росту, чем серый чугун.
Бодало- значение песет также о'тс-р.юя масса чугуна — она
Должна быть устойчивой ери колебании темпср;пур, Поэтому
высокими жаростойкостым и сопротивлением росту отличаю гея
Структуры, пц имеющие фчшогых ирону,шисиий (ныссконпкеле
feiMi'i, ш.кюксК|>еМ!Н1СтыГ| n.'pH f!।,цчuniхр<>адный чугун).
г.) Г>л'1 яипс состава чугуна. Принципы легирования
чугуна с ш’лыо noiu.niieiitu! его жаростойкости и eoi i рот:: плен i '.я
росту заключаются в создании заннгигай пл-мпш, повышении
Свойства vtii’I/na
н.вдт.кц.'тн металла, увеличен ini <карбидов it устра-
ш'пиа фа?л>!<л,i;< превращении.
Максимального эффекта в отнопшиап с<;;।jюг;tвлетгiгя росту
'пылю /и x'i'ii гнуть путем полною i ick.'i и г i<-i 11 ; । [ । pnri.eccoB графп-
laT’-aiinit и фазовых превращении. Эго г.о'.мод.ш, ПГГ1^Г создания
Стабильных структур (аустенптно-гргнЬптноп i;,ni феррнто-гра-
фитщщ), в которых отсутствуют каргшды. Что ж(;. касается
исключения фазовых превращений в отливках ио время их
службы, то оно принципиально возможно путем соответствую-
щего повышения или понижения критической температуры ' за
пределы колебаний рабочих температур. В связи с этим' можно
предложить следующую классификацию элементов, применяю-
щихся для повышения сопротивления росту (табл. 29).
Таблиц 29
Классификация элементов, применяющихся для повышения
соптотивления чугуна росту
Создание устоицилос структуры н орошении । рафитпзации Повышена или noHinkCHiie критна?- скоги интервала Элементы
Стабильные структуры (фер- рито-графитная н аустгни- Повышение критического ни- терпка SLA!
то-графи шан) 11(>пч4<еине Кри।ичсскпп’о пп- тс риала Ni,Cu
Структура с устойчивыми кар- бида МИ ПоВЬЕНЮИН? критического !Ш- териала Сг
Понижение критического ин- тервала Мп
Переходя к оценке влияния отдельных элементов, следует
указать, чтс- углерод и кремний в сильной степени увеличивают
рост чугуна, так как способствуют распаду карбидов, укрупне-
нию графита и разрыхлению структуры. Большое значение
Имеет содержание кремния, при окислении которого происходит
значительное увеличение объема чугуна (около 6% на каждый
процент окисленного кремния). Поэтому, выбирая достаточно
низкую сумму (или произведение) углерода и кремния дли
отливок, работающих при повышенных и высоких температурах,
следует отдавать нредиочп'шк1 Гюлсе высокому содержанию
углерода и низкому ссдср/Шишю кремния. Это тем более иедс-
сообра.шо, что и чувстшп елнноеть и ступа к термическим ударам
при этом умещдпаетоя. Перлитный малокремнщ-тый чегун мо-
жет удовлетворительно работать при температурах до 400ь, в гд
иремя как обычный чугун применим только в пределах до 300'.
толы, л'.'.'.чн'.'сгкие ,i техаг/логические с&ик'тва 4t/.-wa
При достаточно высоком содержаш-ги кремния Р>5%)
сопротивление росте увелпч;шается вследстг.нс увеличения со-
ПрОТИВЛСнИЯ О К [It’.H'i 111 ПОН J [JIИI! 1Я критической точки чу? УТ1Г1 И
образования ферритниё структуры, при которой поршi1 шыи роет
исключается:
Si. % ;........... ) 5 6
Рост посте io т [ ci Г'цТ(| iB Him
!(Юи°, %.........'........... 0,9 0,6 0,1
Тако;} чугун носит название с п л ал а и является устойчивым
для температур 800—900’.
Влияние углерода и кремния на жаростойкость чугуна изу-
чено в мег: (.шей степени, чем на сопротивление росту. Исследо-
вания показали, что углерод при сравнительно небольших тем-
пературах (до 850°) уменьшает скорость окисления и способ-
ствует получению прочных связей между окпедами н металлом,
Поэтому и с этой точки зрения предпочтительно выбирать чугун
с более высоким содержанием углерода и с низким содержа-
нием кремния, Однако при высоком содержании кремния,
соответственно границе стойкости (около 6%) сопротивление
Окислению повышается, что и является одной из причин приме-
нения чугуна типа енлял.
Марганец и сера оказывают благоприятное влияние иа со-
противление росту только при тооттгтнуюшлчч торможении
графитнзан.шг. Непос-редстШенное ;;л- шпмпю этих элементов
является отрицательным, н частности, но причите образовапия
напряжений и трещин в чугуне. Если учесть, что марганец и се-
ра являются также нежелательным и примесями с точки зрения
жаростойкости, то содержание этих элементов должно быть
ограничено в тем большей степени, чем выше рабочая темпера-
Изучение влияния1 фосфора па рост и жаростойкость чугун-
ных отливок не привело до сих пор к ясным результатам. Про-
тиворечия, имеющиеся по этому вопросу, объясняются тем, что
влияние фосфора зависит от формы фосфидной эвтектики,
температуры и других условий испытаний. 'Установлено, что
кристаллизация фосфидной эвтектпвд в форме сетки, распола-
гающейся вокруг зерен и препятствующей диффузии газов,
уменьшает рост чугуна:
Р, %................ 0 67 0,13 (1,53 0,94
Рост, % ........... 2,0 1,6 1,3 1,0
При этом bJir.aiiiie фосфора оказывается тем благоприятнее,
чем выше содержание углерода в чугуне н чем ниже темпера-
тура испытания. При высоких температурах, в особейитоти
близких к температуре плавл'шв^ фосфидной эвтектики, рост
чугуна резко повышается. Поэтому не рекомендуется н'щмеие-
иие отлшзок с повышенным содсрж.'ишем фосфора в указанных
328
Свойства чугуна
УСЛОВИЯХ й'ОрШыИ Д,!)Я ОТ/КПГД КО1ИЮЧ <> BVI уна, колосники i; т. л.).
IIjh;..'!</i 4\irV!i .моано сч:1Т,'1Ти i.'iohинм tipoicu роста только U|';ii
M11-.JI V(j;ix lie ВЫШС 50G?. 1'л',ЧП pi! Imj'i.'. ;i I еМдгратурН чугунных
O’t.-'il. I. ,|^ 11 !., ;;; )Д: [-[ 501)', 'f<> H I1' i X i l.-UHClt 111 ’ I:I irj’U, уж<! Jll’lll
p H,l il il |,)П ЧУГУН. О ВЛ,'1Я1НШ КI) <' X ? Г!-! I , ! 1; Дм: (д нОЩсПИИ уже
I\ .I:; :;:;:д;:yвЫШС- в CTIPIII'IHIII Ж,‘ ВЛиИИПЯ . : ЮТЯХ ЭЛЮмеГГНЯ?
<-1- i\i'J’ <> ГУСТИТЬ. 'ИТ) (' 11КСЛЬ НССКОЛЬКО МгнЫ, р(?ст 4Vry;ii|.
<Ti 11;>ял нрсстня добауща пнке.чя к чугуну нрин<я,:и г скорое пред,
чем польку, вследствие его гр жрут; наиру ющего влияния, Г1рн
пг.раллелыюм же уменьшении содержали! кремния никель,
уплотняя структуру, уменьшает рост яутуии. То же наблюдается
при соответствующем уменьшении содержания углерода, как это
видно из опубликованных в литературе опытов с выдержкой
чугуна в атмосфере пара при 4SCP в течение 22 и 54 дней;
с
3,48
2.8'J
CvcTiiB, %
Si
2 02
2,43
СЛ’иМ.ГНГпТ liCCl
1,45
22 ,(H4
1,01
0,0
4 дня
2,99
0,3$
Предел прочности лг/лмН:
Пдходныи 2- Двя 5-2 дня
13 9 6 7.5
33 38 З'.л
Главные же преимущества ннкеля, как показывают игследо-
пання, сказываются iipti высоких кннпентраниях (унс. 214), Г1ря
этом никель I'totiiTinacT также жаропрочность, способствуя сохра-
Рис. 214, Рост н окисление обычного (О)
И «уCTCIltlTIlOrO (,4 ) чутуния
пению механических
с сю пет г, при высоких
| емпературах.
Еще большее зна-
чение имеет псполь-
зованпе (для умень-
шения роста п окис-
ления чугуна) хро-
ма, тем более, что
он дешевле и менее
деф|щитсп, чем ни-
кель. Высокая стой-
кость хромовых рас-
творов н карбидов
и образование хро-
мом плотной пленка
делают его пенным
тегирующим эдем,.'Н-
н'.м ;i.;hi <т!.'Ин;ик, ршютшыннх при шжюкнх температурах н и
pa.i.'iiiчны.х газовых атмосферах, в том числе в ирисутеняи! сер-
itiiibuix гл itiii. ио <1Тш>П!с|1Ш<) к KOM’ptdM tttibejivin>iii nviyit ж-
ЛЯСК'Я IICi-'rOilKHM.
1 11<1ЮЫ|1гы tiOfM-fdti’tiне nыыПисги ебънУИ'детш. мч’ытю, р;еы;гы
c'j'p у ю'у |' н<t-C i:t.1 Г>оД l) ыx к,11>Г; 11 до и.
Физические, химические и технологически? свойстве,, тигвиа
I'iисиепио в чугун сдадо ГУ Сг уменьшает его jx.'cr л 3 щюл.
I Ге.'к"' (Ю-КраТНОГО 11:1 Г |>с Ви [ЦГ б час. При 925'' лит 'tyjyil (.’илр;Г
тлН'т сих.чо илигшт г. p;i.iMr|i:.' .. 2rS /;г/лмп!. и т<> время .,.|<г<
i i 1 кн noe.ri • । i |нх"[ о Г( > ';.( упи у ме ii! ,j 11а СТС я При '-нил с' 21
.1-1 7 к.у'.шГ.
Вл; г я 111.’:-’ хрона еи;: :ь!п;:е:еи уж,; црц нсбоды.пнх ,.To6ai.a;;ix,
заметно уменьшай рост пути i ы ;< отюшок н ик ом1 слеш к*
(р-ис. 2t5 j. Нлэтиму со;:ср;р;[:i::е хрома /юлано бить тем боль-
ше, чем выше температура, при кото;х>й работает отливка:
Температура. °C . 550 ССГ 750 ЯР > 1000—НИ)
Сг, %...............0,2— 0,4 0,6—0,8 1,0—1,4- 1,6-2,0 30-35
В связи с этим широкое
применение в качестве жа-
ростойкого и малорастушего
материала получил никеле-
хромсяшш природнолегнра-
вадиый нугу и. Например, нс
опытам Н. Ф, Вязникова,
чугун с 1J 2 % С г и 0,7% i\i
показал умоимнение удель-
ного г,'.'('и 4 % tnn','11' '?()-
кратного нагрсна до 950!), и
то время как Hpoccoit чугун
умешшшл при этом удель-
ный вес па 17%. Исследо-
вания Б. С. Мильмана так-
же подтверждают благопри-
ятное влияние присадки при-
родполегкрованного (хали- Рис. 215. Влияние хрома на рост и «а-
ловского) чугуна (рис. 216), ростойкоегь чугуна .при 900°
При очень высоких тем-
пературах наиболее Стойким, в особогшости в окисли-
тельной атмосфере, является чугун типа хром, экс (30—
35% Сг), исследованный впервые в СССР В. В. Скорчеллеттп
и А. И. Шулгнным.
Третьим весьма важным элементом, повышающим жаростой-
кость и сопротивление росту, является алюминий, Исследования
показывают, что его блапнip;iязкос п,.чнШ1Не начинается не
сразу, я с д| (рис. 217). Сепбеипо патерс-сиым и этом
oteitiiiu'ifini крслстш’.лщчгн чугун иод назиаши?.м ч у г а л ь с с<г
Держ.'иным 2U--2-1A|. 4yr;ioi, итлижн.тея и ыо жой ж а; 'о; з г ш
Костью н и тоже время удоплсмнО]плслм;сн| обдггёнггыг.иём' ж гьш,
так как алюминий при этом содержа нац сшл.'оогтвл ст гршфгг ч
зацин.
j
330
Свсмстм ч.1/г//но
На основе изложенного можно регюмепдовать применение
pa'.!’!fl(v 4V1 ущмз при следующих TcxiiiepiTjA'p.'ix:
и'(Л/уi's;'.'°!': -КЮ 500 ф’'1 7;?) ыш—900 1000
|;го 'lyivui) Нр'Х'- Пс[М’|Т- °>'% l'[' 1 •-'% 1> Ь'-'.’-л ('| бндил И хрпмчке
ю)1 иья1 ;ivctc*
Fill rni'FlI
в УС'и
*
—-..‘y cy-.v Зез присаЗни
- — apueadmi fe.Si
___.Чугун спррсаЗной SiCi
-— Чугун быпла-блен на
шихте е применением
Твлиловсмго чугуна
S’CT I СгГС । УССТ.
- "’"4 е 8 4 s ‘2 4 $ г к s 2~4 /
Суммарная выдержи в. при нагребе,ш
Ряс. 216. Вшнншс щысндкн хплнлиислю-
1о чуп-ты и мндиф я ди poiiiit ши я,ч рпег
4VCVH.I
Рве. 317. Пзигнше алюминии ни
Нс.жнне н рост чугуна
I') В ,1 IT Я [I II о других
6 акторов, Влияние дру-
гих факторов на жаростой-
кость п сопротивление росту
определяется, главным об-
разом, соответствующим из-
менением формы графита и
плотности чугунных отли-
вок,
Как видно из некоторых,
исследований, образцы, вви-
тые из середины отливки,
обнаруживают больший рост,
чем образцы из края, что
объясняется укрупнением
выделений графита в цеп
тральщик более медленно охлаждающейся части (рис. 218).
С другой стороны, более толстая отливка дает меньший рост,
несмотря на менее благоприятную форму графита, что следует
объяснить уже меньшим газосодержаннсм в более толстой
и, следовательно, в более медленно охлаждающейся отливке.
Таким же двойственным
может быть влияние темпе-
ратуры перегрева на рост
чугуна, Поэтому исследова-
ния часто не обнаруживают
этого влияния (табл. 30).
В противоположность пе-
регреву, модифицирование
всегда уменьшает рост от-
ливок (рис. 216), чему спо-
собствуют не только про-
цессы раскисления и уплот-
нения структуры, но и Миннисе содержание кремния в чугуне.
Сн'чДЧПМН чу I уп |^СК(И|| ||1|Л| ГИ-ЛН-
I) ы Гг ун
щж 6.г'0'\ %.............. t),3 (|з2
I'lji’r tJpJi 700Л % - 3,0 Я 1,4
Физические, химические и технологические rwlcnw чиг/ека
331
1 Гекоторис. значение км?ют также цгюцсхождсиЩ’ тихт'тых.
материалов и условия 1шюг, ояределят-чию газсе-одержанш?
I- чугун? II ф<>рМ V I (Юф|1Т<'1. I 1.Т111Ю1 ||Я ДрЩИЮ Н( >УГ<)..'11 .Ю ) М ’фуне,
<3 Т<1К/КС 11 |HfCcJ/[ lu'i i/I'C[(ii*
;LTbW)],) VVI у[1И V M'VIKUM
графитом п с 1пи;ким гл--
за содержание м у вед 11 ч и -
вдют сопротивление рос-
ту. По этой же причине
влияние могут иметь та ii-
же условия плавки в ли-
тейных- печйх. Выше ука-
зывалось, как сильно по-
нижается рост чугуна при
плавке в вакууме. Из это-
го можно предполагать,
что газовая атмосфера ь
плавильной печи в другие
условия насыщения чугу-
на газами во время плав-
ки окалывают влияние на
его сонротпрление росту
и окислению.
Число uaepeSofi (Ьазкс'йш по 1Z час)
I ‘ 11 . Э! К. В.-i 11 я । г: ।, с !:<>! «цтц < ла; i ж де -
IIU'I OT.IIlHXi) Г.I 1>"CI 4V1TCI.I
Г J и ,1 И Ц Э 311
Влияние перегрева на рост
чугуна в атмосфере пара при 500°
с,% Сгр.% Si/u Температура °C Форма графита Рост п;:и р и ли ом числе Harpe-
перс- грена 5У/1Я 'ДСП 1—3 па лй.ЕМ j 4— в ваку- уме 2^—3] кд 1оздпхе 32-33 в азоте
2 2,03 2,18 1260 12.50 Г р> бая 1,70 5,61 6,0 6,1
2,98 1.8-* 2,28 400 1260 Мелкая 1,79 а,7с 6,57 6 57
2,85 1,31 2,40 1510 1250 Очень мелкая 2,00 5,20 5,61 5,72
ВЕС И ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
5. УДЕЛЬНЫЙ
Уд. вес чугуна и птязаипая е ней плотность иди герметич-
ность (счкк'Обность выдерживать даи-Тспие газовой иди жид-
костной среды) являются важными своГн'твамп в гч’которых
Условиях работы отливок,
а) Удельный где чугуна. Уд. вес чугтпд за г ют гт
главным с.юразом, от его состава и степени графитизации, а так-
же от условий первичной кристаллизации. Почтя все элементы,
Сгюйсгва
p; чуГ'/1-те, R ПОИК'НПОС П| Э.ТО МОНТЫ <! М'IJU4М
УД<\;(1,!'ц.1 м [:(„(•(::',! (углерод, КреМШШ, ;}. г: .о,, , ДС'ИСТвуЯ
Чсш'чл/тсгнио. как легньучошше аримссп, уменьшают etc;
у.'|- Сл-С. Ot'iTOi!li> If tJTettCU ШИ? ВЛИЯЮТ a ЭП>м oTiJOdli’limi эле-
зл ы, riiDecoorcyjoiHiic ) п;|фит)|.!,тн1:',г, 1,'ik yei-, i> процессе rpa-
i!' I 111.; e Ц | у | удсл||1ол'г 0'0,0M HVn'lta V.Tf.'.-fiUiHiiHC >J..| <_ № e I ГГЫ ЖС,
; дли. графитюшшю, у i se.'n p-i it t.’-a io г уд. где чугуна, так
их аптш'рафнтизируtoipee гсшинпе обычно ем.о,moo леги-
рующего.
В ззвиспгдосгн от состава, структуры и условий крисгаллиза-
дах чугуна уд. вес его колеблется в пределах </-—6,7--
7,7 г1с:г, причем для серого чугуна </ = 6,9—7,35 для
ковкого чугуна </ =.- 7,2—7,45 а/сд-ф для белого чугуна (1 = 7.4—
7,7 е/оР. Чем больше углерода и графита, чем крупнее его
выделения и чем больше газовая п усадочная пористость, тем
меньше уд, вес чугуна,
Пористость чугунных отливок колеблется н пределах 0,5—
1,2% Она зависит от состава чугуна и ряда технологических
факторов.
С повышением степени эвтектичности пористость чугуна
уменьшается пеледстши' лучшего шгтаиия межкристаллитных
пор, однако уд, псе его при этом понижается из-за увеличе-
ны? содержании углерода, кремния, фосфора пли укрупнении
графи га.
Из технологических факторен большое значшше имеют
условия гштання и гидростатический напор, под которым проис-
ходит затвердевай нс металла. Поэтому уд. вес чугуна в верх-
них частях крупных отлпве-к может быть на 5% меньше, чем
в нижних частях, а а центре — па 10% меньше, чем на перифе-
рии. С увеличением толщины отливок уд. вес чугуна пони-
жается как вследствие увеличения пористости, так и вследствие
укрупнения графита-.
Диаметр образца, гл.............. 20 25 50 75
Уд. вес </, г/с.к3............... 7,23 7,14 7,03 7,02
Как показывают литературные данные, понижение темпера-
туры перегрева и заливки чугуна также приводит к уменьше-
нию его уд. веса.
Те я ib'b ai гр;! nefTO Ш'в.1 н з.ыигки, “С 1120 13'0 13110 1330 1275 1265
, % '.......................... О, 1J (1,-ю 0.3(1 0,31 0,30 0 1S
Уд. ж .'/то?............................... 7,23 1,21 7,20 7,12 7,(И (/til
1 i Э|j.'Н-мги in -рис пи-гл |][х1.|::и<Г:[1 тсi [lyri'M гадр?|<ГГ;ГГ[ 111<1 с?«>?'<т Mi'T1'
;ii'a'"?a1'о' Hi'iiH'CTtbi 1<чд ji.'TOuriiiTOi 2Г<П- ‘.’ТОО от в т то i е f t f । с ?0 -30 ’'И' i.
г, itд।>игni’ ТО)ягт.н ртом1?р?>11 -f.fi Jt.ii, Hoitv'iaeMiip щы ция
licoi'CTOTO заымптон ид-ы адеорбцпи красящей ;гiо.к<>со; h,i то1-
гертототн 'riKTOi'itiiii графита.
Фи:<11Ч1>а;цс\ хюиическис и технологические алмстви itt/.-.'tji-tc. 333
.'Ото объясняйся по голый.) повышением усадочной пъ|шото-
сто из-за ухудшепи-,; усекший питания вследствие пони ./.опия
Темпера гУры (Тонл.ы, jfo 1( v ., ( j।jhПСИиелг C(i,T<'p/XaHii;i ски.-точм-
in. yravpniiM BTOic.a.ci Иц! и<яг.’г>i:и1111тс'ШШргггуоы П('|)(ч;-ШШ1.
6) I e p л ст io; ii i'.t i, ‘ivrYir,i. I Ri-.'iy 'ici 11 ic т yi у кп икг.
кой плотности и Meer : и . a no i ц ।, шитым обратом дли yuc.'inaci.-'.-.i
гермстнтnoc'iti otjitbok, роботшошпх под давлением. При зтги
одпьаремепио уюьышлюусг, также механические сгюйства чугун;..
При одном п том н,ё составе уд. вес чугуна может душ,
некоторое предсгавлеш? о сто плотности или герметичности, но
в общем случае (пр» разном составе) герметичность обусловли-
вается не стол'йКо уд. чесом чугуна, сколько его пористсстыо.
Она определяется максимально допустимым давлением газов
или ши и кисти для отливок определенной толщины пли мини-
мальной толщиной стонощ допускающей определенное давление1.
Пользуясь последним методом, Л. Л. Бочвар установил, что
герметичность цветных сплавов повышается с уменьшением их
интервала кристаллизации. Одпако чугун, вследствие процессов
графитизации, не следует этому прашлу. Наибольшей герие-
тпчмос'гыо характеризуется чугун с низким содержанием угле-
рода, несмотря на бол|.пюй интернал кристалл (i.iiiUint, что
обт.ясняетея уменыпеш'ом кол и чести а гры^мгга и размельченном
сто (наделений. Нто И.тлюстрпруегс'я литературными данными,
11 родета|Щецн,ымп в табл. 3|.
7 и с> -I пи. и Hl
Влияние формы графита на герметичность чугунные отлииок
П: О'И’СК ГНЧ0К 1.СО: ? при Дг1-?-Л(;И’|г.|1 Т’> «?П. f.if5 -U.a’-7 *
If'^lUlHllS (jT^l-irliJlR At,5f I Форма графина
(2 ([—10 8 1 6 - 1
0,007 0 (>и2 0,003 O,0i 18 0,040 О,|.>97 0,00,3 0,0)0 Ош i 1 0,(117 0.06Г) 0,107 0.0)0 0,020 0,021 0,0 8 1 Г), 089 . 0,103 1 1 0,01 i> 0 ШЗл 0,032 0,102 0,1 СО 0,024 0,003 0,i iOS 0,141 3,79 i 0,041 I 0,078 I 0.10a ; 0.01-3 0.178 1 2-1,77 । 1 Очень ’.je.-tKni'i Срытий l> Г иуёыГ:
С.;..'..Д ТЮ|;1(Ч'П ЛИ ; (.41 in. уст owiill,. ЧТО. 1Ш|Ы pH (KI 1 . чугуна Д'ыi iiTii'iiH» иелнка, cc.'iii e ИО||<||1ц, 11 anpi;мер, । ни ггы ;и Ki/iiuiiie IT и 'it.'iubk; тора tic.;; >.’.((|ШТО, IT'U.M'’- .X (j геугст ir-.r 1з;),.||н< 11.).'(к v1.')
1 И II ПО iHin: CRCTh 1 l.T.JTHM if r<.‘pMi.i;|s,;ii4("ni niiiliei'.i ''. in i f |X:eiit211 u ti и U1111 (.T.'tlfM'T I'llHI Xl )” l Jlll>l‘| i| ПНСЧ I i M II к? ;. .in i:' (1.:;ц i'. i | ;i•• l/.iil
Лу;1у3:.
334
Свойства чуецна
герметичность втулок толщиной в 2 а<м црц давлении воды или
керосина п пределах до 100—150 ат. В других опытах не было
обнаружено пропуска газа (Н?) через плаетникц высококачсег-
чугуна
Рас, 2]Ч. В.гкяяце П'М-
iir'iniTypN и i.TOe;i)fBiHtr,t
tri untt'aio т.п
ДГ>р<)Я ;i я с [1 сч стен кн чу-
rVTFFTF.IX CT.'IIHluK
толщиной 0,о—2,0 .ю/ при да i !.; е и а и 150'—175 а.т,
и лаже чугун с гр'иным графитом по-
казал в этих утло г и их малую пропу-
екэемость. Многие чугунные отливки
с мелким графитом и щ-гшим содер-
жанием фосфора, при отсутствии во-
лосяных трещин, могут хорошо проти-
востоять давлению жидкости до 1000 ат
и давлению газов до 700 ат.
При воздействии жидкостей и га-
зов, в особенности при повышенных
температурах, следует всегда иметь т.
виду их химическое взаимодействие с
кугу дом. Например, водород, реагируя
с графитом, приводит к обезуглеро-
живанию'.
С-f-2Нг — СН4.
F> чугуне с изд люто я канальцы, ио
которым проникаст и улетучивается
водород. Этот процесс протекает тем
быстрее, чем выше темнерагура и чем
крупнее цыделення графита. Исследо-
вания показывают, что потери водоро-
ся с температурой
Гуне (рис. 219).
да через стенки отливок увеличпвают-
и с повышением содержания кремния в чу-
6. ТЕПЛОВЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Тепловые и электрические свойства — коэфициент расшире-
ния (я), теплоемкость (с), теплопроводность (>.) и электропро-
водность -J —представляют объемные физические свойства,
связанные преимущественно с атомной (э, г) и электронной
; 1 \
ф, —I энергией. Свойства эти в некоторых случаях определяют
гедшшя тюхченвя здоровых оышгюк иди условия нршшльшш
ргiбот;4 .'[.(талей в мшипшах.
а) К <> -J ф ни. ;t о и т т е и л <> в о го ф а с ш и р с п ц я чугун в-
Средний тоэфшшепт расширения (я,-,‘) выражается формулою
Физические, хикизескце и тех во-to га чес кие свойства чугуна 335
I, t..-t, ' '
где »i и /3 — !f<Ti;i..4i,ff.-ii( f> koi,(мпая длины;
Ф н t2— начальная к конечная температурь!.
Всличшга згого к о-. । |i i г [ 1 f г е j । г ?i, как показывают литературные
данные, повышается с температурой:
Темпериту-
ра, °C, . " . 20-50 20—250 20-700 20-000 20—1000 700-1000
• 8,6 р,о [2,5 13.0 15,9 20.2
Значение коэфициенга теплового расширении чугуна опре-
деляется прежде всего его влиянием на величину напряжений,
образующихся в отливках. Уменьшение величины а является
полезным с этой точки зрения п облегча'ет условия получения
.здоровых отливок. С другой стороны, в случае сочетания рабо-
ты чугуна с цветными сплавами или с другими материалами
(стеклом), имеющими большие коэфпцие.нты теплового расши-
рения, приходится стремиться к увеличению значения з и для
чугуна.
Отдельные структурные составляющие чугуна характеризу-
ются следующими значениями коэфициеяда теплового расши-
рения;
[»у|;ту(>«1.|е снег,I-
ii.MiMiHii'’ .... л-[>а< Т)я>[, -f-pac । Dop I [ечсчг, н г Графит
-ф1'" . 11)"...................... Г. ,5 1Ь,(Ь- .0.(Г
Коэфпцисцт расширения реальных неоднородных структур
может быть определен по правилу смешения У 'Гак, для пер-
лита молено определить;
а™ = 0,865 арс 4- 0,135ярг с = (0,855 - 12,5 ф- 0,135 6) • 10~"' =
= И,б ю-,!.
При этом примеси, образующие твердые растворы, оказы-
вают на коэфипиент расширения значительно меньшее влияние,
чем па другие физические свойства,
Как показывают исследования, наибольшее влияние на коэ-
фициепт расширения оказывает углерод, в особенности в свя-
занном состоянии (рис. 220b Это объясняется не только тем,
что цементит обладает меньшим значением ?,, чем графит, но
также и тем, что одному проценту углерода соответствует при-
мерно в 5 раз больше цементита, чем графита. Поэтому при
граф и т и з а и и ц ч у г у и а к о иф и и и еи т р а с ш ире в и я
псвмшается, и ферритному чугуну сжитстнуст болышч'
Зпаченпс у, чем шрнштиому.
> I ic-ar.-HiH в f f 01 i I? [i к ;гы urMTb.ipci.rin ,i'i структуру, irHnnw'.n в..'у' л п,
КЗ И И<1 ГО сОДсржлмия СТрУКТурчНл ЛП’ТУижЫЛ.ЦН.','. Для ПГЧ'ТТИТР,
ОД1ЫКО, мо>к;п> npcne'Ope'ir, ।?ллн11ч-.’й v-W-iMlox верив мелте гг:м в '!' 1у-! ггом-
336
Свойства 4ie?!/na
Непосредственное влнЯ1ше элементои при образовании п в?р-
ДЫХ р,'1СТВ(>|Ч)П пли СОеДПКО!1И1'| С У.Ч’.'Н'ЛОИ и 1ЮЯвяястся и пони-
ЖСЖ-П ЗНЗ'кчП'Я 7.- Ис «..! юч il 1 [ Г Я Cue !; I Ш1 к ,т 'ГодцКо МСДН, JVlKi-
ii марганец, yrc.'iii'mr.aiuiniie. а: лринпент тспжн.п11 г.
Рис. 2'20. Влияние элементов на козфициент расширения
чугуна
расширения. Влияние же элементов через графитпзешшо выра-
жается, как уже было указано, в упелцчешш значения я в сле-
тав повышения степени графитизации и и уменьшении Значе-
ния з в случай отбелшшипя чугуна.
Г1;।reм;;тр<ы;iв г. утон тлыи зрения рнт. 2|..,р'. мной прнттл к зпг.)юче11иi>i.
".й> И ||.1 J! lie сне ...|ы ЧЧ Ohl с llpii \ liu.’.i; :jriii:|r гч.г. г ?i<;i 11 l;>i KpCMMiHI jTO ! ..! -
2.0% i>5bucir-iv’lг.। r;>;iiJj|iTil.!|1 THiMi ;ieiu-r.<jh ч «:<«i '«емипа. ;(a.’-|..iK,ii<iv'..'
л.с i: '1: ii .к u: 111 г.' 11; 111 <' 11J ।'d " :|H. ..ii,l',:| yihu c. i'.! i"; up 'H'li'.icpr-l.'.'I л г.Фио r..-ггл-
fllOi ! ;> 1:1 >: I. <г',[1;гпн,11(('р(1 ji.i . гиор с фгр1'ИГО?4.
I h l.:.!M::.ir, lrl|.i'ii;i> ;;,T J’rp.., ..|ц:|< ги c U-.iyi’,.? -лгу en, н P H S'), иг
n:-,;: Г .uiur iiKH n in Ллфицрс-рт )4icЦиничны.
H i . H” Р).1с.ур.')гтл|, •.ii.,.i?, и ii-'oc?.)11 ii и Повнич;)к.гг, в i!iiK|..,.il- I'orir-
ЯЫиг мi.14'Лие Т I ОлТО'ы^ тл,Гг>, .'[(.чф' гвуег воден, tioiusИС,'я BniliiiilliiTt
Физические, химические и технологические свойства чугуна
337
расширения чугуна. Так, например, введение в чугун 0,7% Мо понизило
Значение а с 10,8 Н'г'; д() 10,3 - ! () %
Что касается хромл, то и прелглах до 0,5% он повышает коэфииаент
рас: п н реп ля, а затем понижает его. В последнем случае олшифемеп по про-
является как его Ilenoc;я'.к-пфг|н<1С-, так н отбеливающее нлияпие.
Как било указано пицц.’, дустеuI:т!।-j структура отлшквется ikwtikm Kri-
sti) и (тентом тси л о по го iiat'iniipeiniH. Пслтьму при достаточно высоком содер-
жании никеля (18—2(1%) величина а резко повышается, достигая значении
18-Ю-, При этом замена части никеля медыо нс оказывает влияния. Одна-
ко с дальнейшим повышением содержаи1И1 никели коэфпииент расширения
интенсивно уменьшается, достигая нрн 36% Mi очень низких значений
(3 10-"1. Такой сплав, мало изменяющий спои размеры с температурой,
называется инваром (не меняющимся). Замена никеля медью в этом
сплаве увеличивает его коэфицнент теплового расширения.
б) Теплоемкость чугуна. Теплоемкость (истинная
и средняя) интересует литейщика с точки зрения количества теп-
ла, необходимого для нагрева или расплавления чугуна, а так-
же с точки зрения охлаждающего действия применяющихся
в литейных холодильников,,
Удельная теплоемкость определяется при обычных темпера-
турах гласным образом изменением кинетической и потенциаль-
ной энергии атомов;
где с,- - - удельная тепло-
емкость при по-
стоянном объе-
ме;
U — общая кинети-
ческая и потен-
циальная энер-
гия атома;
t — температура.
Пренебрегая для твер-
дых и жидких тел изме-
нением объема с темпе-
ратурой, можно принять,
Рис. 221. Изменение теплоейкостя серо-
го и белого чугунов с температурой,
что удельные теплоемко-
сти при постоянном объеме (су) и давлении |с») равны.
Исследования показывают, что истинная теплоемкость чугу-
на, как п желоза, увеличивается с температурой и характери-
зуется скачкообразным повышением при фазовом превращении
а ' т соответственно изменению строения решетки. После
этого теплоемкость чугуна резко падает, а с дал пней щ им повы-
шением температуры вновь увеличивается (рис, 221). I) сред-
нем можно принять следующие значения теплоемкости струк-
турных составляющих чугуна при нормальной температуре:
22 Зап. SOS
338
Свойства чугуна
Структурные составляющие
г, кал!г °C..............
Феррит Це.нецтит графит
0.11а 0,15 0,20
Теплоемкость неоднородных структур может быть рассчитана
по правилу смешения. Твердые же растворы несколько отсту-
пают от этого правила, а химические соединения ему вовсе не
следуют, что подтверждается даже на примере цементита. Так,
по правилу смешения теплоемкость его должна быть:
с = 0,9353 0,115 + 0,0667 0,2 = 0,12 кал +С
в действительности же она составляет 0,15 кал/г? С,
Литературные данные показывают, что графитизация сопро-
вождается уменьшением теплоемкости, так как механическая
смесь Fe + С гр обладает меньшей теплоемкостью, чем цементит:
Исходный бе-
лый чугун
Гтжиг при
670® 5 ыин»
Отжиг при
670° 10 мин*
Отжиг при
670° 60 мин,
с, кал/г *С , ,
0,137 0,134 0,132 0,116
Другие изменения структуры чугуна, например изменение
строения перлита или формы выделений графита, не оказывают
заметного влияния на величину теплоемкости.
Что касается состава чугуна, то исследования установили
монотонное повышение теплоемкости с увеличением содержания
углерода, что находится в связи с более высокими значениями
теплоемкости цементита и графита. Однако имеют значение
и другие элементы. Поэтому теплоемкость серого малоуглероди-
стого чугуна выше, чем белого высокоуглеродистого, хотя мож-
но было бы ожидать обратного соотношения.
Зная истинную или среднюю теплоемкость и величину теп-
ловых эффектов фазовых превращений, можно определить об-
щее теплосодержание чугуна при любой температуре (Q ):
<?,= ^cdl+XL, (135)
Q, = ?ep(/-20),
(136)
где с — истинная теплоемкость;
— сумма тепловых эффектов фазовых превращений;
с ср — средняя теплоемкость, включая тепловые эффекты фа-
зовых превращений.
Тепловые эффекты фазовых превращений чугуна определены
в следующих пределах:
1 Tjieepj шбнцё П *1 каление Плавление
и—белое) чугуна ceporrj чугуна
кал!: ......... 2,9—6,7 46-59 58-78
Общая сумма тепловых эффектов фазовых превращений мо-
жет быть принята для белено чугуна £f. = 48 кал/г, а для се-
рого чугуна £L = 62 кал/г и определяется, главным образом,
скрытой теплотой плавления. Поэтому при плавлении происходит
Физические, химические у технологические свойства чугуна 339
резкое увеличение теплосодержания с последующим медлен-
ным повышением зилченлп теплосодержания в жидком состоя-
нии, кик это видно пт следующих данных:
Температу-
ра, °C . . .
еср кал 1г ’С
Qt, кал (г .
0-200
0,110
2'2
0— 5i i()
0,123
(>.'
0-70:)
0,114
1ы>
0-800
0,159
t25
0-1100
0,161
175
0—1150
0,211
245
0—1350
0,220
300
в) Теплопроводность и электропроводность
чугуна, Величина теплопроводности (Л) и связанный с ней
козфициент температуропроводности (а см21сек) влияют
на условия кристаллизации, определяют в некоторой мере по-
лучающиеся в отливках усадочные раковины и напряжения,
а также те предельные скорости нагрева и охлаждения, кото-
рые допустимы для отливки той или иной конфигурации. Эти
тепловые свойства играют большую роль для таких отливок,
как отопительные трубы, детали холодильных установок, излож-
ницы, поршни, двигатели внутреннего сгорания ц т, д., так как
определяют равномерность распределения температуры в от-
ливках и интенсивность отвода тепла от них.
Электропроводность (—) или обратное ей электросопроти-
р
влеипс (р ) имеют значение для таких отливок, как реостаты
И электронагревательные элементы. Кроме тою, величина электро-
сопротивления, будучи связана с потерями на токи Фуко об-
ратно пропорциональной зависимостью, имеет значение для от-
ливок, работающих в переменном магнитном Поле,
В противоположность теплоемкости и тепловому расширению,
электропроводность и теплопроводность определяются главным
образом не кинетической и потенциальной энергией нон-атомов,
а движением свободных обобщенных электронов, С увеличением
температуры и амплитуды колебаний нон-атомов сопротивление
движению свободных электронов повышается. Поэтому прово-
димость чугуна понижается с увеличением температуры, в то
время как его теплоемкость и тепловое расширение, связанные
с энергией колебания цон-атомов, наоборот, повышаются с тем-
пературой:
Температура. °C . . , • 160 200 300 4110
кал, см сек . 0, [22 0,117 0,113 0, [07
р. м—1 г.р—1 .... (),0] 4 0,012 0,010 0,009
Так как природа теплопроводности и общем аналогична электропровод-
ности (в обоих случаях гпдечое энергии осуив.чпвлщ'тсг гл а и 11 i ,i м образом
Свободными электронами), то оба спойстиз с I ы.! а и Ы между собой по гыкопу:
М = = а>лЯ ~ 0,6 - 10~- ,
где N — число Лоренца.
22*
(137)
V,
340
Свойства чуацна
Однако ’-дат закон следует paecMatpiiiniTb к«к криничной, применимый
Toojoii) <jii,.-)-|jx мстил дои л сырок их j «мн rpii г.р. jCM более, с_тедовлтсЛ|,-
ПО, и>| )fC Применим ДЛЯ чугуна С X а р II, ГерНЫМ II Д'О1 него СЛОЖНОЙ CTpVKTV'
1ДЧ1 И нронесеом графч>пза шит AciicTi(iiTibii,)iii. чпедч .'li.pi'iiua cocthiOIiIi'T лля
|Д'и»к, чуруп-| rjKrViO 0,7' К) л.-1я ecpoio avivii'i о мелким графитом- -
ОА Иг- и для серого чугена е крупным т|ыф1пон - 2.5 1 (А, ГраФптиз;!
liioi. таким образом, разлкчио минет на темонронолто:. „ мектролронод-
IIOCTI,. ЧТО НСЛЯСТСЯ ОСНОВНОЙ Причиной ПГНОСТОЧ lieTlia ih'ipMvTpil (137) по от-
fioiue'Hию к чугуну- Несмотря из это, приинипналниос Минине разных фак-
торов на теплопроводность и электропроводность чугуна в болыирнстве слу-
чаев аналогично, и изменения этих свойств следуют в общем одним законо-
мерностям.
Проводимость чугуна в большей степени, чем какое-либо
другое физическое свойство, зависит от структуры, се дисперс-
ности и мельчайших загрязнений. В этом отношении характе-
ристики проводимости, определяющиеся пробегом свободных
электронов, радикально отличны от теплоемкости и теплового
расширения, обусловленных энергией колебаний ион-атомов.
Соответствующие значения проводимости основных структурных
составляющих представляются в
Структурlihrc ейстявлиютие Феррит
X, кал’см сек °C ... 0,174
1 —1-1
—, mb! см .... 0,1
F
р, [Ш см............ 10
следующем виде:
Перлит I Цементит [р*фит
0,124 0,017 0,037
0,05 0,007 0,00(7.-0,0003
20 110 150—300
Из всех структурных составляющих чугуна цементит об-
ладает минимальной теплопроводностью, а
графит — минимальной электропроводностью
и, соответственно, максимальным электросо-
противлением.
Так как влияние графита на теплопроводность невелико,
то при графитизации, как показывают литературные данные,
всегда наблюдается повышение теплопроводности (рис. 222).
Электропроводность же может понижаться или повышаться при
графитизации, как это видно из рис, 222 и данных В, С. Месь-
кина и Б. Е, Сомина;
р до отжига. [J-E4 с,и . , 6] , 04 д<), 3S г-0.4'1 64,95 128 135
р после отжига, jj-Ls сл . 59,04 59,50 62,10 t>6,15 108 104
Увеличение или понижение электросопротивления при графи-
тизации зависит от формы графита. При мелком графите, в на-
сткост!! ирн образовании углерода отжига, характеризующегося
бол ex' низким электросопротивлением, графитнзцппя может при-
вести к уменьшению значения р • При образовании же грубого
и крупного графита электросопротивление, наоборот, повышает-
ся при графитизации,
Физические, химические и технологические свойс 1 ва чцгцна 341
Есл;! rif-Tl I 114Tfi ДВО KpLliili!lX 3 ИЗ Ч С UI! !1 ДЛЯ ЭДеКТрОС011рОТ’.1У..|1Л1)|Я Г[>Л|]>ИТа
и 3(J[)n i1 - гм), t<, ,i;.'\hikiii,ii' ii ян [синя вслпчипы p при рлеяид.' цс-
цептцта (Im.-C Pl'c ; С) ||’>едстип.ini-r'ii, no nparnsJV cм<।иe1111я, в с.;,аую-
limit mini':
! Л - • .. Н-— , 'Ч,«Э !о
I» 3' е < гр • ' '
‘«И-
{ Тпким образом, при гргФшизацни
(чугуна Действительно нозмождо как
увеличение, так л уменьшение элек-
тросил р<тг шуте! и ы.
Однако е.седгет предостеречь от
злоупотреблеи'ия прпеилом смешения
И подчеркнуть его ограниченную
применимость для расчета провОди-
мости, в особенности для электро-
сопротивления. Известно, что элек-
I. тросопротизлеиис механической еме-
си всегда меньше того, что гюлу-
’ чается но правилу смешения. Эта
объясняется тем, что кристаллиты
металла следует рассматривать к;,к
элементы, которые частично вклю-
чены последовательно, частично —
параллельно. Тем более, елеД(>|Ю-
тел г.ти j. и [> л пило смешении и<: приме-
нимо ИЯ трсрЛык 0,Ч(’дТ!О1)(1|< И XII
мипескпх соединении, что нодтнгтг
ждаетея соответствующим го-меп'.'-
кием проводимости при гранити-
зации.
В противоположность теп-
лоемкости п тепловому рас-
ширению, характеристики про-
водимости в сильной степени
; 0,2(1 - 150—ПО1 - 102ри ы,
0, . О 3000 — 14I)1 -I- 4СЛ рл2
Рис. 222. Влияние степени графи-
тизации на проподим'зсть чугуна
зависят не только от количественногосоотношения структурных
составляющих, но и от их формы и дисперсности. Уже указы-
валось, что электропроводность графита понижается с укрупне-
нием его выделений, теплопроводность же при этом увеличивает-
ся. Поэтому в отливках с грубым графитом образуются меньшие
напряжения не только потому, что модуль упругости чугуна при
этом меньше, но и потому, что теплопроводность его больше.
Таким образом, и в этом отношении влияние графита на тепло-
провод порть и электропроводность различно.
Ьолынс.е влияние оказывает также стоит, дисперсности ос-
новной массы чугуна, с у вол i hi ci 11 iv м которой проводи месть,
S особенности тепл<>нровод|кK’i'ii, умгчиш'ается. Поэтому прово-
ДИМосгь чугуна шпчщешшо умснынастш! с переходом структуры
1 Pncciiiciij прицент углг'[тк..|;| и цгм<’11тнт1.' рппсн 6,67?,;. O6i:P4:i(in"< г-'шаент
граф,,тд со.-таваячт поэтому 20%, феррита — 80%.
342
Cttcw.t; гиа ч ij с и на
основной массы от перлита к сорбиту и далее к трооститу. Еще
меньшей проводимостью характеризуются м,ч',реиситпая н аусте-
нипц-щ шрушуры. Теино так же и веяюпо рпда включения, ра-
КОЮ1ИЫ и межкристаллитная пористость ш ши ж шот характерн
СТИЮ! HpOBo/lUMOCI’U- Поэтому отливки имеют г-у большую тен-
лонроводнопъ И ЭЛСКТр<>ПрО1.ЮДИОСТ1ь чем 6o,.'(|.tjH: их плотность.
Рис, 223, Влияние кремния, никеля и фосфора на
теплопроводность и электропроводность чугуна
Влияние элементов на проводимость чугуна определяется
изменением количества и формы графита и образованием твер-
дых растворов и специальных фаз. Почти все примеси, в том
числе и газы, образуя твердые растворы, искажают решетку ме-
талла и, препятствуя движению свободных электронов, пони-
жают проводимость. Наиболее резко при этом влияют неболь-
шие содержания нрнмссеп, в особенности но отношению к элек-
тропроводности. При этом твердые растворы характеризуются
меньшой проводимостью, чем механические смеси, и влияние
элементов в этом отношении тем больше, чем дальше они от-
стоят от железа по таблице Менделеева. Вместе с тем, элемен
ты определяют степень графитизации чугуна, что отражается
на величине проводимости, в особенности на теплопроводности.
Физические, химические и технологические свойства чцгини
343
В связи с этим влияние элементов па эти свойства может быть
представлено в следующем вп;.е, 1.
Ил;-... через Влпвине Ч1ч.'« or.iin-e
, л-, ii-i.li графит плиннне
- ь — л Ь
Элементы, спосоЫ'гнуго- Т I А р 1 !
тне графтHiauiiit . . _ - i + — ,
Элгм,Ч1ТЬ|. iipeini ic иг у ю-
тин графигижтии . . — - — -i- —
Элементы, увеличивающие графитизацию,
повышают теплопроводность, и наоборот. При-
ме с и, к а к правило, понижают электропровод-
ность. Поэтому с увеличением содержания кремния теплопро-
водность чугуна, как показывают литературные данные, падает
в том случае, когда степень графитизации остается без измене-
ния, и повышается, если степень графитизации увеличивается
(рис. 223). Электропроводность же понижается во всех случаях
при повышении содержания кремния.
Чугун с высоким содержанием углерода и кремния характе-
ризуется высоким электросопротивлением—до 200 j* 2 см
(рис. 224), При этом с повышением содержания углерода
и кремния уменьшается еще
зависимость электропровод-
ности от температуры (тем-
пературный коэфнпиепт эле-
ктропроводности), что очень
ценно для условии службы
литых реостатов.
Марганец, сера и фос-
фор понижают проводи-
мость, причем интенсивнее
всего оказывается влияние
фосфора (рис. 223).
Так же действует и никель
Кремаи, %
Рис. 224. Влияние углерода и крем-
ния на электросопротивление чугуна
вследствие образования им твер-
дого раствора и сорбитизации структуры.
Медь в пределах до 1 % уменьшает проводимость чугуна,
а затем повышает ее вследствие выделения самостоятельной фа-
зы высокой проводимости. Хром, вольфрам и молибден, по неко-
торым данным, несколько повышают теплопроводность чугуна,
но это еще требует проверки.
Проводимость черносердечного ковкого чугуна вследствие его
ферритной структуры выше, чем серого. Белосердечный ковкий
чугун благодаря перлитной структуре, наоборот, характеризует-
ся меньшой проводимостью.
1 Знак плюс (+) означает повышены.' проводимости, знак минус (—)
понижение, знак (±) —возможность повышения или понижения.
344
Свойства чугуна
следующем
виде;
Сопоставление проводимости разных сортов чугуна представ-
ляете;!, таким образом, в
', кал с.и сек °Ц
Серый
. 0 12-0,15
. 45—100
0,15 ..{)J7
2«—37
35-Щ
f> ЫС<№\ iv
puil-fljil u j l'j
140—220
7. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
В соответствии с требованиями электромашиностроительной
промышленности чугун может применяться, как ферромагнитный
и парамагнитный материал. В первом случае применяют феррит-
ный или перлитный чугун, во втором случае — аустенитный чу-
гун.
Как ферромагнитный материал применяется только магнит-
но-мягкий чугун для отливок, работающих в магнитном поле.
Он должен иметь, следовательно, узкую гистерезисную петлю,
высокие значения индукции (В) и насыщения (4тг/) при
сильных и слабых полях ’, высокую магнитную проницаемость
( р) и малую коэрцитивную силу (Нс). В случае переменного
тока он должен отличаться также малыми ваттными потерями
(на гистерезис и токи Фуко), что имеет место при небольшой
площади гистерезисной петли (Wh ) и высоком электросопротив-
лении,
В качестве магнитно-твердого материала, от которого тре-
буется широкая гистерезисная петля, большая коэрцитивная си-
ла (//,.) и высокий остаточный магнетизм иди реманенц (В,),
как, например, для постоянных магнитов, чугун не применяется.
Немагнитный чугун применяется в тех случаях, когда Тре-
буется свести к минимуму ваттные потери (крышки масляных
выключателей, концевые коробки трансформаторов, нажимные
кольца па электромашинах и т. д.) или когда требуется мини-
мальное искажение магнитного поля (детали подводных лодок,
стойки для магнитов и т. д.). В первом случае, наряду с низкой
магнитной проницаемостью, требуется высокое электросопроти-
вление, чему чугун удовлетворяет по своим свойствам даже
в большей степени, чем цветные сплавы, Во втором случае не тре-
буются малые ваттные потерн, но зато необходима особо низкая
магнитная проницаемость ( ц -- 1,1—1,15 против р. -- 1,5--2,5
гаусс/эретед для первой группы), что трудно достижимо в чугу-
не. Потому г. некоторых случаях не удается намелить цветные
сплавы аустенитным чугуном дли второй группы отливок.
1 Сила магнитного поля измеряется в эрстедах или aMnep-BHTiWX.
Физические, химические и технологические свойства ч.'ду.ча 345
а) Влияние структуры чугуна. Магнитные свойст-
ва в большей степени, чем какие-либо другие, зависят от струк-
туры <гугуна. Эти зависимость определяет классификацию маг-
нитных свойств па п (. р в и ч и ы е. и в т о р и ч н ы с.
К первичным магнитным свойствам относятся индукция, на-
сыщение и проницаемость в сильных полях ( В w 3 '/Ч.1КС, Нч^)
и температура магннтшню превращения. Эти свойства зависят,
главным образом, от количества ферромагнитных составляющих
и их состава и не зависят от формы и распределения фаз.
К вторичным свойствам относятся гистерезисные характерис-
тики: индукция, насыщение и проницаемость в слабых и сред-
них полях, коэрцитивная сила, остаточный магнетизм и площадь
гистерезисной петли, характеризующая ваттные потери:
(138)
где А’, и А — коэфицнепты пропорциональности.
Эти свойства, имеющие большое значение для магнитно-мяг-
кого чугуна, зависят, главным образом, от формы и распределе-
ния структурных составляющих и определяются напряжениями
вследствие искажения кристаллической решетки металла. В про-
тивоположность первичным свойствам, вторичные (гистерезис-
ные) свойств.! мало зависят от состава фаз.
Основными ферромагнитным!! составляющим!! чугуна являют-
ся феррит и цементит. Сопоставление их магнитных свойств при-
водит к следующим результатам:
Феррит , .
Цементит .
Температура
МЯГНИТЦОГО
прегрешения
°C
4 макс
гаусс
Вг
пук'
768 2I6C0 — 32600 13000
210 12400 —
Нг
эрстед
0,9—1,0
55
Г-
гдусс/эрстсд
5000 — 10000
Цементит является более жесткой магнитной составляющей
и характеризуется меньшим насыщением, а главное — значи-
тельно большей коэрцитивной силой. Поэтому в качестве маг-
йитно-мягкого материала применяется серый, а не белый чугун.
Как показывают исследования, распад карбидов (графитиза-
ция чугуна) приводит к некоторому увеличению насыщения
и резкому понижению коэрцитивной силы при интенсивном повы-
шении проницаемости в особенности при распаде последних ос-
татков карбидов (рис. 22.'). Остаточный же магнетизм изменяет-
ся при этом в малой степени.
Такое влияние графитизации объясняется не только тем, что
Наличие карбидов вызывает большие микронам ряжения в струю
Туре, ио так же и тем, что объем графита меньше исходного
объема карбидов до начала гр.чфитизшши. Поэтому отжш’ бело-
346
Свойства чугуна
Физические, химические и технологические свойства чугуна
347
го и серого чугунов всегда приводит к улучшению магнитных
своi;cтн, как эго следует из данных В. С. Мю.чжииа, Б. Е. Соми-
обр.тшм, является фер-
рите.,ин (табл,
(фишшвая
ныс свойства
сорт<я> чугуна
легко видеть,
фит во всех
понижает индукцию в
средних нолях, оста-
точный магнетизм и
проницаемость и повы-
шает коэрцитивную си-
лу. Подобно графиту
влияют и другие пара-
магнитные составляю-
щие: окисли, силика-
ты, сульфиды и т, д.
Указанное влияние
графита и других вклю-
чений В. С. Мссысня
объясняет не только
составляющей, но и раз-
которое вызывает немагнитная состлвдяго-
Д-з действие графита оказывается тем
Иа ti Др. Ц;П1ЛУЧШСЙ структурой, ТОКИМ
ю
И5
го
ю
ю\
5
О'-
*5 1208
| ЮОО
< 830
5 800
В №
^200
Ч. 80
е
80 ЮЗ
/00
гоооо
юооо
а юооо
«/7300
< /6300
/5083
3030
8000
7008
6800
| 5000
С ЬООЗ
3000
£003,. _
Ы 60 SO
да
32).
магпит-
разных
и стали,
что гра-
случаях
больше, чем крупное его выделения, и в минимальной степени
проявляется у углерода отжиги. Отрицательное влияние графита
все же зничнте..пя,|) шпыне, чем соответствующее влияние кар-
бидов, поэтому (рaiiип 11।uiя повышает магнитные снонстиа.
При этом влпшпге (рафгли в значительной мере определяется
формой и величиной включений.
Размельчении? графита в сером чугуне приводят, как показы-
вают литературные данные, к повышению остаточного магнетиз-
ма и коэрцитивной силвт (рис. 226). Иапболее же благоприятной
формой графита является глобулярная, поэтому ковкий чу-
Рис. 225. Влияние графитизации на магнит-
ные свойства 'jvrviia
уменьшением объема ферромагнитной
магнлчвваннем поля, г-у
щая. Размагничивающее
гун характернзеетш
большей индукцией
и проницаемостью и
меньшей коэрцитив-
ной силой, чем се-
рый чугун, даже при
одной и той же ос-
новной массе. Боль-
шое значение имеет
также дисперсность
перлита, с увеличе-
нием которой повы-
шаются микронапря-
жения и понкжшотс
Таблица 32
Влияние количества и формы графита на магнитные свойства чугуна
Материал эрстед гаусс В гаусс р макс, гаусс/эрстед
Литая сталь ..0 косо 18503 4000
Белый чугун 16,2 5200 13903 246
Ковкий чугун:
фе ppitriu.il"! 1.3 С/,00 17000 1760
Г repjt ji iHi.iii 8.5 (ЛОО 1о(Ю0
Серки чугун:
,'1.0 Olihlir.'i II 4 5100 12550 240
iroGir от^пгп I 4,5 5ЫЮ 12800 620
готта Ме/Фсий—-
Рис. 225. Влияние размельчения графита на маг-
нитные с во fieri! n 'tvrvria
вторичные магнитные свойства. Поэтому
закалка повышает магнитную жесткость чугуна, а отпуск, на-
оборот, способствует увеличению индукции и проницаемости
и уменьшению коэрцитивной силы. При этом чем днференциро-
ваинее перлит, тем меньше магнитная жесткость чугуна, поэто-
му оптимальными свойствами обладает наименее напряженная
зернистая форма перлита.
б) Влияние состава чугуна. Влияние элементов на
магнитные, как и па другие физические свойства чугуна, опреде-
ляется соответствующими изменениями степени графитизации,
дисперсности перлита и состава основных структурных составля-
ющих. Как было указано выше, вторичные свойства зависят от
формы и распределения структурных составляющих. Влияние
элементов, следовательно, определяется, главным образом, гра-
фитизацией и сорбитизацией структуры. Состав же фаз имеет
весьма ограниченное значение, хотя 11 pi и । m i и 11 а .чьпо все примеси.
За исключением кобальта, искажая кристаллическую решета
несколько (НИИ,1!![,Т 1<)т магнитную ЖССТКоСТ', чун Vl> “
I 1|Ш ! К).т У НС! I! I и пемягиптного чугуна ('ОСЫ
играет большую роль, так как температура Ml
Щеипя принадлежит к первичным магнитным е\ - .•;
Переходя к рассмотрению влияния отделыА
34S Cnu:’iCTtiii 'Ж’ОО
магнитные свойства чугуна, следует указать, что углерод как
в форме графита, так, в особенности, в форме карбидов уве-
личивает м;н iiitTitvio жесткость qyiyiia.
Кргминн, образуя твердый раствор, с ферратом, непосредст-
венно понижает только иервнчиые единства. Поэтому, согласно
Рис. 227. Влияние элементов на магнитные свойства чугуна
имеющимся исследованиям, повышение содержания кремния
в отожженном чугуне приводит к уменьшению насыщения и
максимальной проницаемости без особого б.тпнния на коэрцитив-
ную силу и потери при гистерезисе (рис. 2’27). В сыром же со-
стоянии чугуна кремний вследствие своего графитизирующего
влияния понижает коэрнитивиую силу. При этом падают также
ост,‘.точный магнетизед !<лсьмнение п проницаемость L Таким об-
разом. с точки зрения м.ткедмалыюго понижения магнитной
твердости, следовало бы выбрать чугун с минпмагн.ным содец-
। Нж.’вжло отметить, чтп с iiniionicmrcbi еьдсюкмшя ир/онНгя сичлпс
магнитны |>|юИ1'жлем(’|.'Т1, ныпгыед иозрлетлть.
Физические, химические и технологические свойства чугцна 349
ж,'!пнем кремния, обеспечив при этом полную графитизацию
•структуры. Однако потери на гистерезис, а также полные потери
понижаются с увеличением содержания кремния вследствие по-
ш.ииеппя э.текгроСоиpi>Г1[|тчюн;я. 1 йытому повышение содержания
кремния в магнитно-мягком чугуне является полезшим.
Марганец и сера как элементы, задерживающие графитиза-
цию п образующие неметаллические нключения (MnS), пони-
жают магнитные сиойетва (индукцию, максимальную проницае-
мость и остаточный магтюгизм). Кроме того, марганец повышает
коэрцитивную силу и гистерезисные потери. Поэтому, несмотря
па увеличение удельного электросопротивления, марганец вызы-
вает повышение общих потерь.
Это объясняется не только торможением графитизации, но
и размельчением структуры основной массы чугуна. При доста-
точно большом содержании марганца (7—10%) магнитная про-
ницаемость падает до 1,5—3,0 гауссов, вследствие образования
аустенитной структуры. Поэтому для немагнитных отливок при-
меняется чугун с высоким содержанием марганца.
Повышение содержания фосфора в чугуне почти нс отра-
жается на его магнитных свойствах, что объясняется тем, что
фосфор в очень слабой степени влияет па графитизацию. По-
этому в магцнтио-мяпшм чугуне вполне, допустимо повышенное
соде ржание (j юсфор а.
С увеличением содержания никеля насыщение сначала едва
заметно повышается, а затем резко падает в связи с образова-
нием сорбитпои и мартенситной структур. Вместе с тем падает
проницаемость и сильно повышаются коэрцитивная сила и потери
на гистерезис.
В отожженном же состоянии, благодаря распаду мартенсита
и диференцлаппи перлита, магнитные свойства мало меняются
с повышением содержания никеля. При большом содержании ни-
келя проницаемость падает до величины, близкой к единице,
вследствие образования аустенитной структуры.
Влияние меди такое же, как и никеля (рис. 227). С увеличе-
нием содержания меди проницаемость падает, а коэрцитивная
сила, остаточный магнетизм и потери повышаются, чему, кроме
размельчения перлита, способствуют еще выделения немагнит-
ной меди в дисперсном состоянии. Поэтому при низком содер-
жании меди, когда опа находится в растворе, коэрцитивная сила
меняется мало. При большом же содержании меди коэрци-
тивная сила и остаточный магнетизм заметно повышаются вслед-
ствие оГ|р'';3<я1.гпшя дней с jin и ы .х вюнош’шш. При дгц’пшешшщ кпа-
леецшииш включении меди с'статочньгй магнетизм начинает уже
уменьшаться в результате образов,-шия немагнитной составляю-
щей.
Свойства чугг/ка
Другие элементы, как, например, хром, молибден, вольфрам,
ванадии, действуют на магнитные свойства чугуна, главным об-
разом, благодаря торможению графитизации. Поэтому они пони-
жают ирсишцаемость и насыщение и щи’.ышакур коэрцитивную
силу. Так как остаточный магнетизм при этом понижается, то
потери ни гистерезис с на нала возрастают с увеличением содер-
жания этих элементов, а потом падают.
в) Влияние остальных факторов. Влияние осталь-
ных факторов на магнитные свойства определяется соответст-
вующими изменениями степени графитизации и структуры
основной массы чугуна. Например, с увеличением толщины отли-
вок и с уменьшением скорости охлаждения наблюдается некото-
рое повышение насыщения и понижение коэрцитивной силы
в результате увеличения степени графитизации. При этом повы-
шается также электросопротивление, благодаря укрупнению вы-
делений графита, вследствие чего общие ваттные потери умень-
шаются.
Перегрев чугуна сравнительно мало влияет на магнитные
свойства, так как увеличение содержания связанного углерода
и размельчение графита при перегреве действуют в противопо-
ложных направлениях. Наоборот, модифицирование, способствуя
раскислению и графитизации, понижает магнитную твердость
чугуна.
Происхождение и структура исходных материалов, опреде-
ляющие в некоторой мере степень графитизации чугуна, форму
графита и газосодержание, оказывают определенное влияние
н на магнитные свойства. Исходя из этого, следует считать, что
для получения магнитно-мягкого чугуна полезно вести плавку
на сырых материалах с мелким графитом и с низким газосо-
держанием, а при самой плавке принимать все необходимые ме-
ры для минимального окисления металла и насыщения его га-
зами.
Отдел третий
отливки ИЗ ЧУГУНА
ГЛ ЛИА V!
ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ
И ЗДОРОВЫХ ЧУГУННЫХ отливок
Для получения высококачественных и здоровых отливок не-
обходимо правильно подобрать для них структуру и состав
металла, методы производства п контроля, а также технологиче-
ский процесс формовки и заливки. Частично эти проблемы осве-
щаются в специальном курсе «Изготовление моделей и форм».
Поэтому ниже излагаются только те вопросы, которые связаны
с составом, структурой и свойствами чугунных отливок, а также
с особенностями нх правильного питания.
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК
И ВЫБОР СОСТАВА МЕТАЛЛА
Чугунные отливки весьма разнообразны по габаритам и кон-
фигурации, толщине стенок и условиям службы, что значительно
усложняет их контроль, классификацию и выбор состава металла.
а) Существующие стандарты и методы конт-
роля качества отливок. Изготовление отливок из серого
и ковкого чугунов, с точки зрения качества металла, регламенти-
руется у нас ГОСТ 1412—48 и 1215—41 (табл. 33 и 34),
Т а 4 л и ц а 33
! Нормы прочности серого чугуна по ГОСТ 1412—48
Марки серого чугуна СЧ IS-2я 7 GO ! СЧ 24-44 S 1,.о СЧ 35-5П оо
-в кг>мм~ — 12 15 18 21 24 28 32 35 3S
кг/мм2 — 8 32 3(5 30 44 48 52 56 60
Ztoth ММ 6 3 8 9 9 9 9 9 1-1
f&fy мм — о 2,5 2,5 3 3 3 .3 3 3
кг:мм- — 50 (15 70 MJ 85 100 110 120 130
Нв кг/мм'1 - 143- - Г63-- 17(1 - 170- 170 170 — |!)7- 1Ы7-- 2()7 —
—220 -229 -229 - — II --2 И —'.’41 -,s - -243 -,е
352
Огливки из чугуна
Таблица 34
Нормы прочности ковкого чугуна по ГОСТ 1215-41
'JrpLi’M'ejixe’Uilai'j IcOUKHH Х»УП и Е,(,‘Л<)с:с[:д^чнмй кгшсклй Mylyll
Марки к<и|лс>1(> чутунл ЧЧ л)-6 KU 33-к кч 351- JIJ кч 17. 1" |<(1 кч Ю-4 кч 1'М
Cfr, (не менее) , . , 30 33 35 37 30 35 40
3», % (не менее) 6 8 10 12 3 4 3
HR, «/.мл’ (не более) . . 1G3 149 14У 149 201 201 201
Испытание серого чугуна на изгиб производится на брусках
с литой поверхностью диаметром 30 мм, с расстоянием между
опорами 600 и 300 мм, в связи с чем меняется и величина про-
гиба (табл. 33). Бруски эти заливаются вертикально или гори-
зонтально в сырые или сухие формы. Наиболее распространен-
ным является вертикальный способ заливки с сифонным подво-
дом металла (рис. 228")-
Испытание серого чугуна па растяжение производится уже
на обработанных образцах разного диаметра в зависимости от
толщины стенок отливки:
Т1)л I iifrfiia стекг’И
итлинкм» л»ж
до 16
10—30
31—50
51—70
Диаметр зан/гопки
л.и
20
30
40
50
Д|гаметр
бруска,
10
15
20
26
Ковкий чугун испытывается только на растяжение, причем
для этого применяются образцы с литой поверхностью, так как
снятие обезуглероженной корки значительно влияет па резуль-
таты испытания. Формовка и заливка образцов производятся
горизонтально в сырые формы с установкой боковых прибылей
для обеспечения надлежащего питания (рис. 228). Во всех слу-
чаях изготовление брусков должно производиться с большой
тщательностью для получения плотных образцов без перекосов,
с чистой и гладкой поверхностью — пиане результаты испытания
могут оказаться неудовлетворительными лаже при надлежащем
качестве чугуна.
! се эти методы контроля имеют относительный характер,
так как но дают точного прсдетавлсиия нс только о качестве
отливки в целом, щ> п о евойетвах металла. Уже указывалось,
что механические свойства чугуна зависят от скорости охлаж-
дения. Условия охлаждения и кристаллизации чугуна в образ-
Принципы получения высококачественных отливок
353
цах и отливках различны, поэтому различны и соответствующие
свойства.
Учитывая это ГОСТ 1412—18 предусматривает пслытаппе на
растяжение образков разного диаметра в зависимости от толщи-
цслью образны часто изготовляются из
НЫ ОТЛИВОК. Ж Л(Ь| ;«(
специальных прили-
вов или же выреза-
ются непосредствен-
но из отливки. По-
добный метод взя-
тия проб рекомен-
дуется для ряда от-
ливок (втулки, гиль-
зы, корпусы снаря-
дов и т. д.), так как
он в лучшей степени
учитывает условия
охлаждения и кри-
сталлизации в наи-
более опасном сече-
нии. Целесообразны
также так иазыпае
мые мест и ы е ис-
ПЫ т а и и я. 11о это-
му методу, из раз-
ных мест отливки
высверливаются по-
лым сверлом образ-
цы, которые испыты-
ваются на изгиб или с:
<МС
Рни. ‘22S. ("..чема фиик 11 контрольных оо-
разной:
4 — O(5pa.i3JN и;' р^12Г5Е(<С!|!1с JU КОЛКОГО 4J'rynai
б _ iiici на .cjr'ifi из серого чугуна
юз. Отверстия в отливке заделываются
без ущерба для ее службы. Однако и в этом случае произво-
дится испытание чугуна из определенного места детали, что нс
может характеризовать свойства металла во всех частях отливки.
Тем более этот способ испытания не учитывает влияния напря-
жений, надрезов и конфигурации отливки. Между том конфи-
гурация, в частности форма сечения отливки, может иметь
большое влияние на ее механические свойства, в особенности
при нагрузках, ха ра Меридуюшпх неравномерное, распределение
Напряжений по сечешно (изгиб, кручение).
Техникам ценно изьеегно зизчнтелыюс изменение величины коэфлцнентов
зквниащ ihijucth им и.ниие ( у, : в, ) и npy’Jeuliii н .hiiiiiciimocth
w формы сечения;
viiucjijjjf РимГ*Р-ч<,'с.’к<>€ Jtpyr.ti’v 1(»1.чдрлнче Д^утаировре Иилмг
<зь\з6 2,3 2,1 1,7 13 —
-? - 1,0 1,5 - 0,8
23 Зш. н*
354
Отливки из чугуна
Этот пгшрси: >K),jynjii.'i освещен ш- n работах ряда советских металловедов —
И. А. ()дци| -i. il, II, Мцро?цобов;г и Др. <T;iri v(.iiiuiih.iih, что козфициен i
J к i I il I' H-! ' IГ] it(;iT|i и p 11 II :int6e ( ....Ilf m,)i' lil! Eli) МРЦС II C P <1 Ml'llll'll I) 11
m.t.vi.: mi-i .:.!.!,< к в.i;гб(.к'|СС HiH-pViio-uiiinM пору;кнr,iи г ,.;।n, отливки. To JKi:
вao.ir<:.-r;i.--1ci n npri Kpv'ieinui. ib>?l<iMV при ih’iihiiiiinci i|ii,:i.tx OpvCKoc ДМ-
'K'Kin- оnkiisi! 11tr.i ”'ь:1б yMufn.fffiii’b'Si c vrii'jir:it’if;i. । ।riinf.icutiH диаметра
Pile. 2i’cl k'oKCl рукрпипние Ч V!'УIJ Д1-I >; О г.-ll! BC1L< С ЦСЛВН! ОИ rilMpJtiil ioro исподь-
дог!а(шя мп । cpiri.i.'ia n его ripo1 (г(Дorn
к в ут 11 c r r 11 < 11 > orr;eprr;(ir к нс p\,?<;r<nxrv дппмсчрУ полого oA p, i .1 ш 1 /Л1 : D, когда
масса металла iri/pi'McrivJ c i ся к ino.iee и; 1141 у ж с;; 11 ы я (г. i р у а. ।; i ч м слоям
отливки:
I’ .. иг,-
. : !, ’ Д (.11 да
Рае, 230. Влияние Формы и рат.и.-огч:
.'eiii'i'Hii МЛ |Цю1 к,тсуг! ’ г у г v 11!; । .1 <?гл ац:ц<-
— J.J )М С (। Г i'.i|(["" I КН. Г.'НПИ С'| .Ш1'.!1,|(;
it '::':; 1'।гг I'l’iiii'.o 111 х-11 г 1:1 г.11ур.гого
|и'.р;г.ц;| шшмприм Ии .ir.il
. 1: 1' ':1 г 1ч о .я . : г>’; । .и 11 erii; pui ня i.-ie-iii
i i I' ' Г ! 11 I ....О 1' I 11 : 1 11 < III u - . I: г
fuel" 1'i'i !• 1 i11"г 11 '1 np ,! j*h on 1 я v 1 i''
(ipoI 1 г ::1 (. p ie C l- г i H -. I? 1 >:. .
Это влияние формы сечении
(коэфцццепта формы) выражается
тем сильнее, чем несовершеннее
структура. Позтому оно повы-
шается с укрупнением графит;,
и с уменьшением прочности чу-
гуна.
Основным _ фактором, опреле-
.(яющпм аффектшшость формы
ссче.игш (на кенмал л г у (о прочность
ни елпнгшу площади), является
момент со;i роти дтс;!и я, 11оэтом у
на иго выгодными. еоглвсгШ
.i ii r'l'i.iii ri pai.im данным. oKii.'jMTj;;.
1:1 li -l ' 11< ’ ’ 1T t Г.1 C KOpOOlHTl.ie. 1T1-
l'-1 e 1'.'.(.'. 1! ft ЛРУТНИрОНые cr'li'rlir.l
1t"l H'llior и KeJ p< 1Г) 4 И (THl'lHOI
C TiHIHlIMl! CTi'l 1 <1; 11111 1!|4| r;l>V'le
!;; : ! 'Hi K:i I.' oil 11 о гл I H;i|E I IT :
ipiii-. 329).
1 pi! .. 1.1 у с.:" с 11 11 i при il . Hl"...'. iiTiii'H.:
Ын ''rri tt c o’..-.: 1.м :,r.inc(i/01.1 r.
I 1 T I: I) ГIIV '- 4 ... , j,. ,<, jjj; 11 11. : ; ..I.'
Принципы получения высококачественных отливок
355
ниям, можно применять мсныине сечения в силу Cxw(so высокого сопротив-
ления чугуна сжатии,.
Значение K<Hr<|4iiV(ie-i чн отл и' ; r<; г не о гр н Начинаете я г.||<>рм1;и с г ч е 11 । н, тик
K.1K ОНИ г>Н|)1'Дс!1ЯГ’Г Кон :'ГруЦ гинцуг, прочности отливки я целом. И JI''M от-
Р(1С. 1ГД. В гл „,,,-
П,П (IHHCHO (по.' ГС ill'? -
кого) переход;! нт
устал остную проч-
ность чут уча
ношении следует подчеркнуть значецпе масштйбного фактора. В соответствии
со статистической теорией прочности, крутныс с т.п и в i;; с при Прочих равных
условиях, об.чадагот белее г.иок- ji конструктивной прочностью, так как в них
скорее могут сочетаться не бл а гои р р я т н in о услоспя н слабые участки. По-
этому. кек покалывагот опыты
Н. М. J L с г п ре а а. нро-.чогт.-, ш-
лип г; я зависит не только от
формы, Ito il от размерен (ма-
МеИТ.Т l',<>ir(WTIH>.|C!lНЯ) Г<чцч||О,|
(Due. 23(н.
Cot -ч nc.i-.o .TinepaTVPtiirn дан-
ным. КО П('Т[) V К Т И Г( (I ,Ч >1 (1 [Ю11 (11 >г'"ТГ ।
Отливок в .nra'iiiTerii.irOH мер!' оч-
ине пт та к ч;е от ради усов .чакру-
iptettriH и ко и и ей транш г напряже-
ний. что особенно важно цен
усталостных н динамических но-
г-рузках (рис. 23! и 232). Посте-
пенный переход в тавровом сече-
нии повышает предел уставоста
с 14 до |8 лгг-'лглг-, а радиусы
закругления на строительных
элементах повышают их удчп-rvit:
вязкость е I,! до i 0.03 кг.-н/р.-н-
Болыи oii интерес пред-
ставляют методы коатроли
качества стлпв.ок г; целом г>
уелопнях, тождественных с
iix реальной (.дуд.:о,n'j. На-
пример. pa.ipyii ejriie о г,.'.'ж;<л->
на ।г >!-сю।х. соiюгырс;пю от
JiimijK ( о о ро/к?..ч пн noit трес-
ты г (:' ("1: i.'1 'юу io 11,-: п охре, ।
ную Ic-ITliV II Т. д. о гл !
СТщ; (। т. г I(гт< iк. тл(1Г-.1и,(Л1 ог'.--
рало.м о<”> их тер метки иости,
lJ:n‘. 33J 1.1.. к, и line p.ri.HV-' -. cprr.ci'iiHH
ii;> ус, i r i:;14! 1 г? <-•<’[s у и.) ir.?«.ii !"••.:. >’ i1;;n ic.ii
пых
23*
356
Отлиеки из чг/гуна
дает также представление испытание под давлением (водой, воз-
духом, паром), применяющееся для детален арматуры (10—
25 ш), корпусов снаряд0» (200 «^), ии.'кщдрои (до 400 ат
и пы(пе) ц т. д.
О) К л а с с и ф и к а « и я а у г у и п ы х о т л п в о к. Попытки
составить рациональную классификацию чугунных отливок изве-
стны еще с копна прошлого века, когда различали три группы
отливок: 1) обычные и машиностроительные отливки, 2) трубы,
3) отбеленные отливки. Эта классификация в дальнейшем ус-
ложнялась и совершенствовалась и в настоящее время может
быть представлена.
Классификация предусматривает отливки из серого, белого,
отбеленного и ковкого чугунов. В зависимости от того, какие
свойства при этом являются основными (определяющими)—ме-
ханические или физические, химические, литейные, различают
отливки из конструкционного чугуна и из чугуна со специаль-
ными свойствами.
Наибольшее значение имеют отливки из конструкционного
серого чугуна. Кроме удовлетворения требований по механиче-
ским свойствам, они должны хорошо обрабатываться, а иногда
еще выдерживать давление, оказывать сопротивление росту
и коррозии и т. д. Однако механические свойства остаются при
этом основными, причем н некоторых случаях они настолько вы-
соки (СЧ 28-52. СЧ 32-5G, СЧ 38-60), что для их достижения
необходимы особые методы производства (отливки из высоко-
качественного чугуна).
Отливки из серого чугуна со специальными свойствами охва-
тывают пять групп: художественные отливки, отливки со специ-
альными электромагнитными свойствами, антифрикционные
н износоупорные отливки, росто- и жаростойкие отливки и кор-
розиостойкие отливки.
К отливкам из чугуна со специальными свойствами по харак-
теру требований и условиям, службы целиком относятся отливки
из белого и отбеленного чугунов.
Отливки из ковкого чугуна, нац и из серого, делятся на от-
ливки из конструкционного чугуна и из чугуша со специальными
свойствами (антифрикционные).
Во всех случаях отлпвки могут быть изготовлены из просто-
го или из легирьвлпного чугуна.
в) Выбор состава Металла для отливок. Пра-
вильный выбор состава чугуна для удовлетворения предъявляй
мых к нему требований представляет серьезную и сложную за-
дачу, тем более, что воппос этот должен быть согласовано тех-
нологическим процессом изготовления формы. Определяющими
факторами являются структура и свойства чугуна.
Принципы получения высококачественных отливок
3,77
Для неответственных отливок требования ограничиваются
обрабатываем octf,so, и ।к-is[Снvice желательной структурой являет-
ся ферричо-перлито-ерас|цmi:iи, Цели же otjhibihi во время служ-
бы подвергается бг J.;;вНfим IKItpyBKilM, износу ИЛИ ВИутрГ'Кы’му
давлению, то наиболее подходящей структурой становится уже
перлито-графитная. При этом с увеличением действующих на-
пряжений в отливке необходимо повысить дисперсность перлита
и обеспечить получение мелкого пластинчатого пли глобулярно-
го графита в чугуне. В наиболее жестких условиях износа при
отсутствии смазки необходимо выбирать мартенситную струк-
туру, а иногда — перлито-цемептитную (белый чугун). Послед-
няя структура является также обязательной для отливок из ков-
кого чугуна, графитизация которого происходит в твердом со-
стоянии при последующем отжиге.
Некоторые специальные свойства, например жаростойкость,
аптикоррозионность, немагнитность, требуют ферритной или аус-
тенитной структур.
Правильно подобрав структуру чугуна в зависимости от ус-
ловий работы отливки, необходимо назначить состав металла,
обеспечивающий получение выбранной структуры в зависимости
от скорости охлаждения и условий крцстаж'ш.’жшш. Для этого
Прежде всего выбирают наиболее важное место в отливке, по
которому следует ориентнров-.тил'я ирн подборе состава металла.
Таким местом, является наиболее и игру ж с. пн а я часть отливки
или же части, подвергаемые механической обработке. При этом
состав чугуна должен одновременно обеспечить отсутствие отбе-
ла в других местах отлпвки.
Зная приведенную толщину (R) и прочие условия охлаждения
ответственной части отливки, можно, пользуясь структурными
диаграммами, определить содержание кремния и углерода в чу-
гуне для обеспечения нужной структуры. При этом необходимо
задаться определенным содержанием углерода, чтобы опреде-
лить затем содержание кремния.
Для серого чугуна содержание углерода выбирается обычно
в пределах 2,7—4,0%, для ковкого чугуна 2,2—3,0%. В обоих
случаях нижние пределы применяются для более толстостенных
отливок и для получения высоких механических свойств Для
тонкостенных отливок приходится выбирать чугун с более высо-
ким содержанием углерода с целью повышенна жидкотекуче-
сти 2. В (’лужис работы отливок па износ пли при повышенных
температурах также нелегообрашо в большинстве случаев вы-
1 I кт .моче кие сос пюпгет чегуч с гл |>Г>у л ср п о м графитом, хлр.пги'ричу-
ЮИПгксч I . । .1 ео К ।! м и Cs.Hb’K'Tir.''Tir шюе ap>i 1;'.: '< ’ К'1 м гшп'р >K.i ini и v гл г |’! Л ।.
- Вонор СОСТРИЛ чггсил -’Г.Ч-rf К V.' O.i: сг ОЧ.ЧГп г.) Л Г Г| pi;'iri|< и |,| :.|1 ч i'-.> I ЧТС'.'.
гипкг оОррлом, цз счооражеияй полхчечиы &тег:1 л.ча с высокий Жидкоте-
кучестью,
338
Отливки из чугуна
К^асс литья
И pi । мс п4 мП1мелсик<1
отлети,-
Классификация
А, Отливки из серого
и белого чугуна
!. Отливки из конст-
рукционного серого
чу(уна
1. Отливки из чу-
гуна малой проч-
ности (СЧ-00, СЧ-
12-28)
а) Строительные и быто-
вые отливки: колонны, окон-
ные рачы, посудное литье,
: радиаторы, утюги, каналц-
। зациониые трубы и фасон-
I ные части к ним и т. д. . .
3.3-3.б 1,8—2.5
2. Отливки из
чугуна средней
прочности (СЧ-1Й-
.32, СЧ-18-36, СЧ-
21-40)
1. Отливки из
|1Ц! II ptl'IlirK-rHfC1 (-
111, СЧ-28-441.
'Ч-3-'-52, СЧ-38-60)
| б) Машиностроительные
отливки: предохранительные
коробки, небольшие ремен-
I ные шкивы, малоотцетсгвен-
: ные части сельскохоляйст-
| венных машин, части швей-
। пых. пишущих и счетных
| машин, плиты, план-шайбы,
, станочное литье II и Ill
классов ..........
| al Машиностроительные
’отливки: автотракторное
1 литье, станочное литье I
класса, ответственные части
j сельскохозяйственных ма-
шин, крупные шкивы и ма-
I ховики. корпусы насосов,
компрессорное литье, пор-
: пгни, поршневые кольца
И т. д..................
। б) Воло-н паропроводные
отливки:
. крышки.
' фшингп и другая арм.ггура |
а) М,т hi иное гронтельные
отливки. пд| ош.ыные и ди-
зельные цилиндры, блоки
антом обильных ЦИЛ llinpon,
колгнч.-ы ые и кулачковые;
налы, штампы и т. д. . , :
вентцлп, 3С1Д.В и/Е% 1<IЕ,
H3th)pH;je ipyGhk
2.8—4,0
3,0-3,4
2,5— 3,2
1,3-3,0
Г I
11.3-2,5
Принципы получения высококачественных отливок
359
Т л 6 л и ц а 35
чугунных отливок
Четкий С<>СТап, %
Мп S Xi Сг Си Ук, Л| г< V
с» 7 10 II II ы 14
—
0,6-1,0 0.3—0,8 0,08-0,12 — — —
0,6-1.0 0,3-0,8 0,08-0,12 — ( — —
0,6-1,0 0,2-0,8 0,08-0,12 ,1а 0,5 До 0,3 До 0,5 ( — —
0,6— 1,() <',2—0,5 0,08-0,12 Ъ0,5 До 0.5 — До ОД —
0,8-f.J 0.1-0,3 <’,('8-0,12 ШЛ До 1 Д' До 2,6 До 0.8 1 1 До(1.‘2 ДоО.З
ЗР2 Отливки из чцгцна
I JpllMCpitf ГфНЧНЕОПИЯ .... Химн
Класс лигмг отлииок
с Si
1 ,ч 4
III. Отливки из белого чугуна со специаль- ными свойствами
1, Отливки из нзносоупорного чугуна 2. Отливки из Мел. ннчные шары , . . Колосники, горный для 3,2—3,6 0,6—1,1
ж а рос гой кого чу- отжига и цементации, части f 2,7—3,5 0.6—1.5
гуцд Б, Отливки из отбе- ЮНОК и т. д. . , . „ . , а) Прокатные и другие U ,5-2,2 1,3—1,7
ленного чугуна ваккц ... 1,25-3,7 О.4—2,0
В* Отливки из конкого чугуна ], Отливки из конструкционного чугуна б) Вагонные колеса . . , Фитинги, ключи. гайки, арма гура, С1Л[,скохоаяг,ст- [генное литы’, ан юмобцл|,- 3,35—3,70 0.55-0,70
2. О г.ТпПки иа цое лии-<’ и т д. . . * . 11 идншиИйки, птулкц 2,2 3,0 1,9—1,4
антифрикционного чугуна и г, л 2,2 3,0 0,9 — 1,4
П р и м « и н и t. Примечание молибдена нз-эа его дефицитности должно быть допусти
бирать высокое содержание углерода за счет соответствующего
снижения кремния, так как термостойкость (склонность к обра-
зованию трещин) и сопротивление росту и износу при этом по-
вышаются.
Расчет состава чугуна для отливок начинается с выбора же-
лательной структуры п содержания углерода. Содержание же
кремния определяется после этого как производная величина
и составляет обычно 0,6-- 3,0%.
Содержание марганца в чугунных отливках колеблется
I, пределах 0,6 1,2%. Нижний предел применяется длясложных
юн постойных отливок, [’де повышенное содержание марганца
может пршнс'ги к обршюшшшо трещин. Зерхщщ предел выби-
рают для более простых и толстостенных отливок, а также и слу-
ше । к'< |б.\ од и м ости стабплия! ронять карбиды. Для получения же
млксималиной степени графитизации необходимо обеспечить
юшвильный баланс между марганцем в серой.
Принципы получения высококачественных отливок
363
чсский с оста а, %
МО только в краГших случаях.
Содержание фосфора колеблется в пределах 0,1—1,2%, при-
чем нижний предел применяется для отливок, работающих в ус-
ловиях .высоких температур, повышенных внутренних давлений
а во всех случаях, где необходимы высокие свойства и большая
плотность. Более высокое содержанке фосфора используется
для увеличения жидкотекучести и сопротивления износу, при-
чем преимущественно в тонкостенных отливках. Содержание се-
ры чаще всего колеблется и пределах 0,08—0.1.“"-ч. Практически
во всех случаях следует стремиться к нижнему пределу в тем
большой степени, чем тоньше и сложнее отливка н чем больше
опасность образования горячих трещин. Низкое содержание
серы г. чугуне особенно важно при работе отливок в условиях
повышенных температур и действия кислотных реагентов.
Применение легирующих элементов опрадывиется, главным
образом, при получении отливок из высококачественного чугуна
или из чугуна со специальными свойствами.
364
Отмсти. Ki 4'1^: j
Для иизк-олсгированного чугуна (до 3% легирующих элемен-
тов) рекомендуется давать хром, никель мель, а в некоторых
случаях и молибден спелью повышения прочиостн принормаль-
Hoji и повышенных температурах и увеличения сопротивления
росту п ил носу, в среднело! кропанном чугуне (3— Ю% легирую-
щих элементов) применяют никель, хром, а пиогди и молибден
с целью получения мартенситной или пссвдомари-нсптнон струк-
тур для повышения сопротивления износу и механических
своиетв. Для высоколегированного чугуна (более 10% легирую-
щих элементов) практическое применение получили, главным
образом, кремнии, никель, хром, алюминий и марганец с целью
получения немагнитных, антикоррозионных и жаростойких
отливок. Выбор состава чугуна должен производиться также
с учетом экономичности и дефицитности легирующих элементов
2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО
ЧУГУНА ДЛЯ ОТЛИВОК
Под высококачественным чугуном понимают чугун, прсвосхо
дящий по своим механическим свойствам обычный. Таким об-
разом, понятие о высококачественном чугуне ограничивается об-
ластью конструкционного металла. Так как свойства чугуна бес-
прерывно повышаются с развитием техники, то понятие о высо-
кокачественном чугуне также меняется. Например, совсем по
давно к выссшокачествепному чугуну относили металл с преде-
лом прочности при растяжении свыше 20 кг/мм2. в настоящее
же время высококачественным можно считать чугун, если он
характеризуется прочностью выше 24 кг/мм2. При этом чугун
должен отличаться также высокой однородностью, так как не-
обходимая прочность должна быть обеспечена не в одной какой-
либо части отливки, а во всех ее частях и во всей отливке
в целом.
Общая классификация методов получения высококачествен-
ного чугуна может быть представлена в следующем виде
(см. схему стр. 365).
Применение высококачественного чугуна имеет огромное,
значение для советской промышленности, так как при этом
можно увеличить срок службы Отливок, уменьшить их вес
и сэкономить много тысяч тонн металла.
а) II о л у ч е и п е ч у г у н а с п с р л и т н о и с т р у к т \ -
р о й о с н о г, п о it м е т а л л и ч с е к о й масс ы. неокона''ecT-
вснныГ; чугун и болышшетпо случаев является перлитным 1
I | leonii'iccin' <шс.'ты1.тяюг ’reрiIоссряс?ттщjи ковкий чугун, имеющий фер-
ршиуго юру муру, ч яегиторые сорш легпровлпного чугуна. Имеющие аусте-
нитную, марте.гем пяло иль 11сезлом;.|ртснщгтнvю структуры.
1
366
Отливки из чугуна
Простейший способ производства перлитного чугуна заклю-
чается и lio/iunjKi состава металл а, главном образом углерода
а |1C '-I Hl! я, н ,Ш НИС 11 МОСТИ ОТ <’ i<Oj ЮСТ|! t'.x.lцен I] я и других
ipa ь'П) род. [5 ли я rt>tn н х пн crpyiMypy. lipu ыом, однако, нсобхо
обеспс'юнис перлитной структуры но вш-х частях отлив-
ки, что возможно только ирп дос’т.тгочшчй однородности чугу-
на. Это достигается разными способами; пон;ш-;е;|асхг содержа-
ния углерода и кремния в чугуне, применением термической
обработки, легированием, модифицированием и т, л. '.
При подборе состава чугуна приходится пользоваться
структурными диаграммами, выбирая точку в средней части
перлитной области (область //, рис. 5G). При этом следует
иметь в виду, что ио мере уменьшения углеродного эквивален-
та (С + ‘н Si) повышается однородность чугуна и увеличивают-
ся его механические свойства; однако при низком содержа-
нии углерода и кремния приходится пользоваться модифици-
рованием, чтобы избежать выделения графита в мокдендрит-
ной форме. Таким образом, изменяя состав чугу на с целью по-
лучения перлитной структуры, мы одновременно в большей или
меньшей степени изменяем и форму графита.
Другим способам получения перлитной структуры яв
ляпся терм и ческа я обрзбыгк.т oi липок, при которой изменяется
структура (лчшвной мет;1..,1лцш|<'кой млссы чугуна без заметного
изменения формы графита. Применяя норлшлизшшю пли за-
калку и отпуск, шкод получай, перлитную структуру любой
степени дисперсности, а тлеете с тем и повышение прочности
и изно'соупорпзсти чугунных отливок. При этом повышается
также однородность структуры, а следовательно п обрабаты-
ваемость чугуна.
Термическая обработка чугунных отливок получила наи-
большее распространение на заводах сельскохозяйственного
машиностроения, главным образом, с цслыо повышения изно-
соупорности. Такой обработке подвергаются обычно небольшие
отливки простой конфигурации: гнльзы, маслоты, поршневые
кольца, ролики, втулки, звездочки для комбайнов, эксцентрики;
части нефтяных насосов и т. д. После- закалки и отпуска твер-
дость отливок повышается до 300—350 Яй, а износоупорность
возрастает в 2- 5 раз.
' В l-.Tr'ч .-I I, .-И! I i JCH'1. I'r 111 11 111 , IK Ы.Я11|11>1ИгЫСЯ T -Jl i./it ill'.-')!.::, II,)-
.|.г; 1'1:1 -|.( I H--.ll I. | [j,|| 11 i,?. I HI .1 л. 1111 - -1 к 1-1 чугун, г' > It) |11 >[ ii tl I(t > [Mb I ,- | |.; 11.1 X у r.-'li,
HIIH'; I :li:':r ril.1 I I!icy-,;i II. t.. '! I -IЛ II -Il 1:1 |-.:Я,Ы|||г|;Г|'1|| Л, ,.|.|:J ........
,4'-i Ci, г- ГН I I' -111;; r I 4.4.1; r I i E i' г,. i: г 11 .v '111< i i: :Д'irpciy'i.l/yi, q;. rir !<Ы ;p -
П:1'.1 r:- 1.'!'-I:.-|IM'HTII TiVimi: I-T-:Irl:ii\ri li '•>)<• чугун;1. rtii.'T С1ЮСЧЙ
I li’lf I: I :i.• . I • i • 1Г! k’ Hi'!-.'-i< 1 ГЭ'.'Н.П )(«.! (I li‘> СТрфл vy pv
ff <[,! i •;. . 'i\!\". !. I I1, i ?.• i I H i f? |:рсМЯ г-СТП ВЛСП й1-’ r J С Д С 'Г T Г ?’|) I >’<•< 1 >-
I' TII n ri<. j. Л('’k'; Г'Э.
Принципы получения высококачественных отливок
Серьезным препятствием для применения закалки и отпуска
являются возникающие при -лом напряжения, приводящие
часто к трещинам в отливках. Советские нсогедищигли
(С. Л. Салтыков. I!. Е. Ерайннщ В. В. Вейтитордт, М. II. Ку-
пи вс кий, II. II. I ’ и о н । и ли' ।, Г. И. | |огод|Щ-Ллекссен, А. Ц. 3 и-
мофеев ц лр.) Miii.no сделали для выяснения этого пои роса. Ис-
следования шакала.'ни что температура закалки должна нахо-
диться в пределах 320—ООО71 и должна быть тем ниже, чем
больше спашшсти образовання трещин.
Зпачптсльяог влияние на образование трещин оказывают
также заижшвающая среда и режим закалки. Закалка в мас-
. ле является в этот! отношении менее опасной, чем закалка
в воде, и может быть рекомендована для большого ассорти-
мента отливок. Еще лучшие результаты дает прерванная
закалка (выдержка в воде пли масле в течение. 4—60 сек.
г до достижения температуры около 20б; к последующее охлаж-
Едение на воздухе). По свидетельству И. П. Рабиновича,
Рис. 233, Зависнмос гп режима закалки от конфигурации отливки
А. А. Шапиро и Е. С. Данилиной, прерванная закалка нс
только уменьшает опасность образования трещнп, по и пони-
жает хрупкость нугмна. Ударная вязкость при прерванной ?.а-
кллко получается значите.д,но больше, чем при обычной закалке.
It itiit- ударной [;язк(1С 1 н негодного чугуна.
Режим за к ад кп, как шпешшлн п сел ело' ;а и г я, лтшепт го-
Конфш уp.'.n;i;i отлнпкп (рис, 2-3}. I fнаболен, просri.ii’ го ;.го
фигурации >члш’жн (рис. 223,«) wroi’i .акалпготь в по.к1 пре
те М11<? 1’1 4‘i »•..: боб'. Волге! (дыкпую о | Л . 111 к V Iplfe. УЗ'-’,. </) IIH'-ro-::
димо зака. швать уже при температуре <$10—$20J иди н1"Дг
Отливки из Чзлч/на
ством Пре рва ивой закалки при 85 0°. Отливку, изображенную
на рис. 233,в, следует закаливать и масле при 850°, а отливку,
изоб.ра жени у ю на рис. 233, а,- •• iipepnaniioii закалкой в масле
при 850". При еше более сложной конфигурации приходится
ужо пол!лопаться изотермической закалкой: для отливок тол
шиной 10—15 льи — закалкой в свинце при 500—550°, для
толщины 15—25 мм-—закалкой в калиевой и натриевой селит-
ре при 280—360°, для толщины 25—30 мм — закалкой в мас-
ле при 180—200°. Такая закалка, по данным Д. В. Крепкова,
дала хо'рошие результаты для втулок глубинных насосов.
Следует отметить, что эффективной мерой борьбы с образо-
ванием трещин при закалке чугунных отливок является по воз-
можности быстрый отпуск после закалки, в особенности если
отливка еще не успела полностью охладиться и имеет темпера-
туру около 200° (комбинация прерванной закалки с немедлен-
ным отпуском). Напряжения в этом случае не успевают развить-
ся, и отпуск предохраняет от образования трещин.
Во всех случаях следует иметь в виду возможность коробле-
ния отливок и изменения размеров при закалке и отпуске.
Это имеет большое значение, так как закалке подвергаются
обычно уже обработанные детали. Увеличение размеров при
закалке может достигнуть 0,1—0,3% в зависимости от темпе-
ратуры закалки, характера охлаждающей среды и конфигура-
ции отливки. При отпуска же происходит соответствующее
уменьшение размеров в зависимости от температуры.
Нагрев отливок под закалку может производиться с боль-
шой скоростью. В большинстве случаев возможно помещение
отливок прямо в нагретую до температуры закалки печь. Вы-
держка не должна превосходить 1 часа на 25 мм толщины
отливки. Отпуск после закалки проводится обычно в течение >
1 часа при температуре 350—450°, *
При очень сложных конфигурациях, а также при больших
габаритах отливок приходится ограничиваться нормализацией,
В этом отношении большие преимущества имеет легирован-
ный чугун, обеспечивающий при охлаждении на воз-
духе и даже в форме получение перлитной структуры в разных
частях отливки. При соответствующем легировании (гл. VII)
возможно получение игольчатой, мартенситной или аустенитной
структур, когда это требуется по условиям службы отливок.
В случае простого чугуна иорма.тпзщщя может быть с успехом
проведена только для тонкостенных отливок (5—15 ль«).
б) Получение малоуглеродистого (стали-
сто го) чугуна. Сталнстый чугун широко применяется ни
наших заводах для получения ответственных отливок’. Этот
чугун выплавляется на шихте с присадкой значительного ко-
ПрИНЦИП!,! rir.'lCOKOliiPieCTneHHtn.V nr.iUHOt:
.ДД-
личсства CTiiJUiHOii) скрап,',. I Ь> ->roii причине ti роке ходи г пипп
женпе содержании уive: роди
инческих свойств:
в чугуне и повьпи-'.чпд' его «rci
('ra.ll. К ISH:I'•' ,,
Г, ГО
»л, кг/м и1
ВТ (г, 20 2а -ill 40
33 3,2 3,1 30 2.О 2.8
16.0 18.3 19,7 21 I 22,5 25,0
Так как ;и51< 11111,i,- cHofiCTiHr — Го!лк(тгекучее!ъ, газосодер-
жание, склошцчс 11> к обрш-юпшино усадочных раковин — за-
метно ухудшаются с понижением содержания углерода, то
в большинстве случаев считают целесообразным ограничиться
2,8% С в стилистом чугуне Однако механические свойства
отливок возрастают и при дальнейшем снижении содержания
углерода, если принять меры против образования междендрит-
ного графита. Поэтому в спеипальиых случаях (мчдоуглерб-
дистые валки, матрицы, коленчатые валы и т. д.) применяют
также чугун с более ни-жим ('одержанном угле роза (иногда
до 1,5 %).
Следует отметить, птг.- повышение свойств стали
с того чугуна имеет место даже тогда, к । > г л п По-
держан н е у г л е р о д л л с г а е тс я б с з и з и с н с н н я. В
этом ел vane механические снойстгш улучшаются вследствие
размельчения графи га, что обусловлено составом п свойства ми
шихтовых материалов (уменьшен не ко ;пчггг(;и материалов
с грубым । рафптом).
СтаЛШ’ТыП •] у ry [? широко ЩЯ! меняете Я при ЩНШЗПОДСТШ!
высококачественных отливок в разных областях ответственно
го машиностроения. Это объясняется не только тем, что при-
садка стали в шихте является наиболее рентабельным спосо-
бом повышения механических свойств, но ташке и тем, что
почти все другие способы получения высококачественного чу-
гуна .(легирование, термообработка, модифштрование- и т. д.)
эффективны, главным образом, при чугуне с пониженным со-
держанием углерода. Почти все ответственные отливки, к кото-
рым предъявляются повышенные требоготшя по механически’.!
свойствам иля плотности, оычнвшокя аз сталпетого чугуна.
Что касается самого процесса получения сгалпстого чугуна
при плавко в вагршпге, то теория его в настоящее время до-
статочно выяснена, гливштм -торгого;, благодаря работам еовв[-
ских ciшш;;ипстт,[; (гл. XI). '1\-м |'(;лое. следовательно, не
вредстанлясг i рудное! еп ш тучей не ста. ilicioio чугуна в других
печах (отражательных. зле к i р и чес кп х), г которых пет непо-
средственного соприкосновения металла 5' (оп.чиво.м. В ж>м слу
I 3г|;1:11г1 (ин'. [н' г«г, и.1 г [T’leauv лилго!11 риясs 1 н ;i। к,i;.яир<чс;-.тп ы-1
-ОКИС СЮ'Ы гr.;i гоеобых» мт.юуттгего'он.'гох nyryjioi'. .OjiKiro ттп чугуш.г и-
имеют [го ('-'in.ciTr.y ifuk/iki-tx itnciiMy incci н псре.т егюше п-i-'.i riyry:ir"-i.
24 Зяк. so-
370
Отливки ил чугуна
Чае возможно получение чугуна <: любым содержанием угле-
рода (нллоп, до (’5%) при соответственно высоком перегреве
жидкого мсталли.
п) II е р с I’ р е н и в ы Л е Р ж к а ч У г У и а в жидком с о-
лгояппп. Почти все способы получения пысококачествен-
ного чугуна приводят в тол или иной мерс к получению струн
гуры с благоприятным по форме графитом.
Наиболее простым и верным способом в этом отношении
является перегрев чугуна в жидком состоянии’. О влиянии это-
го фактора на структуру и свойства чугуна было подробно
сказано выше. Отмечалось, что для каждого состава чугуна
существует какая-то оптимальная температура перегрева, выше
которой механические свойства, в особенности динамические,
падают вследствие образования междендритного графита. Эти
оптимальная температура тем ниже, чем моныие содержание
углерода и кремния в чугуне, чем больше скорость охлаждения
к меньше число зародышей. Наилучшим способом борьбы
с таким понижением свойств является модифицирование.
г) Применение металлических форм. Примени
ине металлических форм является очень простым st эффектив
ным способом полмнения высококачественных отливок. Способ
этот известен уже давно, но только в последнее время получил
широкое распространение благодаря работам литейных либо
раторлй МВТУ. ЦНИИТМЛШ и других институтов.
При производстве кокильных отливок достигаются не толь
ко технические, но н значительные экономические преимушест
ьа, так как применение металлических форм обычно повышаем
производительность труда2, увеличивает напряженность про
изводственной площади, улучшает обрабатываемость отливок,
повышает точность размеров и в общем итоге удешевляет про
пзводство, в особенности серийное, По данным В. М. Ше-
стонала, эта экономическая выгода выражается следующим
образом;
Серийность, штук 5
Относительная стоимость:
при песочник формах I
при металлических формах 2.0
1С0 1000
1 1
1,7 0.K
1 Эффск"и 1 ;Iijгн с11 (кмоО:'.-1 иДНонрсмси:it>fч и ере ерс-па и понижения содг;
иыння УЫн'р 'да п чугуне ян-лнется нроДупкп его кислородом и кошке.
П[ннг:ц:;Ыг1тс.тыкк’Ть Tp\'.:i;i при итготовлеипи втулок ни заводе «Вош'-о
yuejin'iH.'i.'icb в з раз при переходе на кок»льнос литье. Однако слвду1’’
иметь В пилу- что экономические выгоды кокильного литья по ерпisireiiг!1:
с л । гтг>е м в песочные формы определяйте и степенью мсхлннзлиии процессы'
Хороню мех а низ пром иное производство з песочных фор.и ах экопомическ1
выгоднее слабо механизированного производства кокильного литья.
Однако но ч a1 < ел у ;i; । ? x экономическая выгода t.iT при-
менения мсталлн'к.ч'р-.п.-; фору (по сравнению с обычно;! ручной
формовкой) прокн.чяс ic,i и при меньшей серийности.
По данным И. П. Дубинина и . ЦНИИТМА1П. реп [ ,'iGtvn,
цость применю।i 1 а метллличесшвх форм экономически оправ,'ты
вается при с^рн isi|r.b_-1 н 300—500 шт. для мелких отливок
и 50—300 для крупных отливок. Рентабельность эта возра-
стает, когда благодари большей! точности процесса становится
возможным полу'шть отливки без механической обработки.
Кроме экономической выгоды п повышения качества отли-
вок, применение кокильного литья значительно облегчает труд
в литейных, чему п нашей социалистической промышленности
придается особое значение.
Наряду с достоинствам”, металлические формы имеют и ряд
недостатков, в особенности при чугунном литье; образование
отбела, кристаллизация графита в междендрнтпой форме, по-
ниженная жидкотекучесть, повышенное термическое и механи-
ческое торможение усадки, большая склонность к образованию
трещин. Для устранения этих недостатков п предотвращения
брака необходимо принимать С-Поциальные мерь;.
Прежде, всего следует подобрать правильный сдс-дш чуш-
ка, например, по шошгпим.'ш 11. И. Степина ([шс. 231). Ho-
мог раз; \ш i и к' г | ш с i!; i для е горы шт.ых о гл нпок разной толщи-
ны п иредле.шг; риввгт ос;ив чугуна, обсспеч|Шшо1Ииь отсут-
ствие ‘отбели. На оси абсцисс номограммы отложена толщине,
стенок отливки. причем в зависимости от температуры подо-
грева кокиля и применения о-блицовк имеются три разные го-
ризонтальные осн. Выбрав соответствующую точку (о), необхо-
димо подняться вверх по вертикали (для случая полного
охлаждения отливок в кокиле) пли по наклонной прямой (для
случая выбивки при 800—850=) до пересечения л горизонталью
соответственно толщине стенок кокиля. Затем, следуя по со-
ответствующему лучу вверх — до желательной области в верх-
ней части структурной диаграммы, нужно определить на оси
ординат значение суммы С н- Si в зависимости от содержания
марганца в чугуне.
Наиболее распространенным составом чугуна для кокильного
литья является: 3,0—3,7'д С. 2,5- 3.0!|з Si. 0,5-0,7Ф, Мп; П;2—
ОДД р п (i,|--0,l6% S.
И; диаграммы видно, что применение защитных обмазок.
Подогрей форм п умечи,икчше содержания марганца дают воз-
можность пользоваться металлом с меньшей суммой С • | • Si.
так как уменьшают отбел. В связи с этим, как показал
Н. П. Дубинин, уменьшаются также усадка и поверх постна я
тверд ость отливки (рис. 23.6).
24*
L
372
Отливки из чугуна
Температуру кокиля целесообразно поддерживать л интер-
вале 200—350°" С этой целью кокиль подогревается, а заливка
производится периодически через [-’аждые 3—6 мни. гак, что-
бы температура формы сохранялась в указанных пределах.
о,в os а?
/ 22в5Ь7Хящ /г <г лг /< а /й w1в is го г-/ гг гя z!> ч,*
1 1—в ' / 10 // Л~ /в is ^*U!’b г- МгичоМш lJ9eB)
6 в ifitliisis&izitlasisi? fotunb c irfuuueSfrcu iPI")
Xofaurb aes nbjsunsSSu [25 c]
Рис. 234. (;омогримм?! д;ы определения содер.жлчпя yr.юрода ti кречпия в ко-
кильном литье
Более высокие температуры способствуют быстрому разруше-
нию формы, привариванию металла и образованию нечистой
раковистой поверхности (ситовины). При более низких темпе-
ратурах получаются отбел, спаи ц газовые раковины в отлив-
ках. Заливка в холодные формы недопустима также с точки
зрения техники безопасности, так как газы, адсорбированные
на поверхности кокиля, могут привести к взрыву.
Большое значение, .слк видно из рис, 234, имеют также по-
крытия на кокилях, дающие возможность регулировать в из-
вестных пределах скорость охлзждокия оглпвок ц их озделк
пЫХ частей.
!['Ю1>а1Т11Я сиггияг и;< jpivx юит- илсыгпш и краске. ц-<,i.< ц,ч
И кя'К'Стзд I'.'to.isiueiniiejtb слоя применяют м а ।) и ы и от. шане г-
riNi'i iTtHxiirioK, огне\цг>рную MirHic ллпгезит. Хромистые ткеж'лык. Снюею-
щеми c-iV'KcT жидкое стекло, оитокн, некоторые соля я т. /;. В к.игестс-
краски ирИ.ченяготся сажа, кыюты грефнт. ммс.по.
Принципы получении уысококачестиенных отливок
373
Например, ЦНИИТМАШ рекомендует для Мелкого литья
Л :ru .'I и Ц j ц
М Л J ?Ш :| jT IIТ , ,11.1 V Г: Г Ч |.||1 ri<ip(,
riTtiK Или r>r । ги у ।- с л у: j.nbiJ •
ЖИДКИ!' «’ТСКМ.......................
<--ОДЯ - . • .
Красил
('17КП * • -
l?m;i - -
7 /
} л
Толщина покрытия колеблется от 0,1 до 1.5 ,«.w (цапйолы' толстым слоем
покрываются ..Титниковы,1 каналы). Изолягиигняьгй слой выдерживает от 50
до 150 за.тнвок. .-i краска от 5 дэ 20 заливок.
Такие же покрытия цацоеятея на летал-тичеткие формы при центробежное
литье. Например, на Ленинградском авторемонтном заводе покрытие, состоя-
щее из фс>рнеточной пыли (4 кг), серебристого графита (0,5 кг), огнеупор-
ной гдины (3 ка) и поды, вводится в форму посредством желобка и равно-
мерно распредlcw-tch n,i iinriepxiiocTn центробежной ситой,
Покрытия ire только предохраняют от отбела и образования
междендритного графита, но уменьшают еше напряжения
в отливках и увеличивают срок службы кокилей.
Для борьбы с отбелом и для повышения стойкости кокилей
необходимо Максимально сокращать время пребывания отлив-
ки в металлической форме
Обычно рекомендуется про-
изводить раскрытие кокиля
и выталкивание отливки и
формы уже через 15 -60 сш-..
после заливки (и зависимо-
сти от толгипиы ОТЛНВКП).
Необходимо только учесть,
что время пребывания от-
ливки в форме должно быть
достаточно для того, чтобы
успела образоваться проч-
ная корка — иначе возмож-
но разрушение отливки.
Для борьбы с отбелом
и с получением междендрит-
ного графита полезно так-
же мадифнцпрог.агше чугу-
на. Опыт некоторых заводов
показа.1!, чдо моднфгщирова-
, । .......
ПернояуеаОец ।
. 31/w Г
1.
Гт
ООО
ш/epxi. о ферме ।___
! t~ 2Bcee,2fi JoSi],
Образец п/щщиаий 5мм, 2,55 %Si
Допец.^тп^
... [i. J
. гт ;гКд~-^ .
у Оерше.чь^ЗИСдбддер.-м:. Sферме
Г13рш№ь,Д2':''6Лулт»5фр!1мр213реи, 3,9%~Si ‘
50 150 SiO 350 459 ц 550 550 ‘
Темпера/пуре меня ррааесепк формы, SO
Рис. 2-15. Влияние гюлогревл кокиля и;
жлерхikiCTI!vio тперлость н усадку <«
1
Образец У 30км 'ОыОерРю.
§форме.21!сек, 2,97t>Si_
ние значительно уменьшает
отбел на кокильном литье и
пре гг.'гдлг-жшцом составе ме- .чшг;ш
та..,1.:Ь,1 (достаточно высоком содержании углерода ц кремния)
устраняет образошпиц' междендритггшо графита. Наконец, еле-
1 Воцрпгы K(ir)(!TPV|ipeTi;i|||.ru п расчета кокилей нз.'ыглютгч ч куосс
«Изготопшли? чедедщТ я форм».
37-1
Отлиехи иэ чугуна
дует отметить, что некоторую роль в борьбе с отбелом може;
играть и конструкция кокилей определяющая в известной мере
скорость охлаждения отливок. Как показал Л. II. Дубинин, уве-
личение толщины стещж кокиля (до определенного предела)
приводит к повышению скорости охлаждения отливки (рис. 236)
С этой точки зрения целесообразно было бы применение тонко-
стенных кокилей, чему, однако, препятствует образование тре
щнн в них и понижение стойкости. Поэтому на практике при
меняются следующие толщины стенок:
Толщина стенок итанвгн, ar.v Да io И)—25 2-'—'О
Толщина стеньг кежтж мм ‘26 2С—30 <0
Отношение толщины стенок кокиля к толщине стенок от-
лшщи колеблется обычно в пределах I—2 и должно быть тем
меньше, чем толще оттовна и больше опасность образования
отбели.
Все приведенные мероприятия не всегда гарантируют пол-
ное отсутствие отбеда при массовом производстве. Поэтом/
тля снятия о тоет а в большинстве случаев применяется отжиг,
тем более, что механические сг-ойтог,а. п особенности ударна;,
вязкость, при этом возрастают
ОтЖиГ отливок Пронзнодж при томпера type ‘ЮО -1 130'
Чем lujiiie темш’ра i ура, те*
карбидов, так что при тем-
пературе I |б(Г для этого Д<г
статочно около 16 мни,
При ЭТОМ, Г Щ'ЛЬЮ -МТОЧНОМII?г
топлива п предотвращения
образования трещин, целесо-
образно подавать отлпшеи и
отжигательную печь немед-
ленно после выбивки, при
температуре 750 — 850’, —
иначе между отбеленным
наружным слоем и серой
сердцевиной возникают на-
пряжения при охлаждении
г, образуются трещины.
Для борьбы с трещинам
чернического и механического торможения усадки. С это’,
толью с.чс.чуто' прежде тесто нпзпбоппься о рационально;-
топструкцил (ГГЛГШКН (иТО\ТС'ЦШ(' резких переходы'. II 1)0'1 р1ТО
углов,, обеспечение ранштоерпоп толщины стенок, устранепИ"
выступающих частей), ['ыран.чпвание скорости охлажденья
возможно пуупм подвода метолла и тонкие сечения отливки пл1
истом i.,-ii:e>'i'ii|i4 бодсс толстого слоя покрытия па I'.oitTBCic।
тогipre идет процесс распада
[Что Дю, г >. । г г 11 и с тониинь! eictHix м..
ЕЯ?ч if: r-JyfrGi’.ri. П /\Д,еН |l)f С'Т.’Ж >
необходимо также сстоаненИ'
Принципы получения высококачественных отливок 375
I ' -
вующие места кокиля. Устранение механического торможения
у усадки производится быстрым выталкиванием отливок из фор-
й мы, прокладкой податливых стержней под выступающими ча-
I стямн и устройством достаточно больших конусов. По данным
i ЦНИИТМАШ, величина литейного конуса на внутренних
| размерах, где отливка при своей усадке зажимает форм;,.
J- должна быть больше. чем на наружных. Величина этого кону-
4 са должна возрастать с увеличением размеров отливки, так
Л как при этом увеличивается механическое торможение усадки
j При увеличении же наружных размеров, наоборот, литейные
Ь конусы следует уменьшать, так как зазор, образующийся при
ж усадке, при этом увеличивается и выталкивание отливки облег-
»'• чается:
£ Длина, ли До 2с. 25—50 50—100 100—300 300—50и
£ Наружный конус, i рад. 4 4 3 1 До I
f Внутренний конус град, 5 В 15 25 -
Большое значение для получения здоровой отливки1 при ко-
кильном литье имеет температура заливки. Слишком высокая
температура вызывает быстрое разъедание металлической
формы и способствует образованию усадочных раковин и не-
чистой волнистой поверхности ни отливке. Слишком низкая
температура является причиной оброщшанпя газовых рякоя.чн.
По рекомендации П. И. Стсншю температуру пп.'пштш следусг
держать в пределах:
I.. - 1360 — -ь. (139)
где s — толщина стенок отливки, мм.
При этом следует учитывать еще жидкотекучесть чугуна,
а также газотвориость стержней и затруднения с удалением
газов из формы. Чем больше жидкотекучесть чугуна и меньше
количество выделяющихся газов, тем ниже может быть темпе-
ратура заливки.
Источником газообразования в металлических формах яв-
ляются песочные стержни, воздух формы, покрытия и адсор-
бированные на поверхности кокиля газы. Для удаления этих
газов устраивают выпоры (рис. 237) или специальные каналы на
поверхности разъема формы (рис. 238) толщиной 0,25—0,35 мм.
Во всех случаях, вследствие малой газопроницаемости ме-
таллических форм и быстрого затвердевания металла, необхо-
димо применять стержни с низкой газотвориоетью. Вместо
с тем при правильном гсхнологнштком процессе при кокильном
Литье можно получат:, меньше брака по газовым раковинам, чем
при литье в песочные формы. Это объясняется меньшей газо-
творностыо металлической формы и быстрым образовшшем
толстой наружной корки, препятствующей образованию раковин.
сЛииаля w ч!/г&нй
Mri£[ЛЛ11Г1С1 Kii-k (рор.чт должна постись быстрее F1P
сочных (примерно па 20--• 30 %) вследствш-- мепыней жидко
текучести 4vrvn,-j к этих условиях и опасноещ образования ш
Рис. 237, Устр|'|ц-гно мып''spi"।
зля va.’i.’iciriHi Oi.itHi и ыиж.'П,-
долина, спаеп и неясных очертании
на отливках. Кри медленной залип
ке возрастает также опасность об
разевания брака из-за оксидных
пленок, так как они застревают
стенок форм ,г осгаюгся в отливках.
Номенклатура чугунных отлпвси-..
отливаемых в металлические фор
мы, достаточно велика. Она вклю
чает отливки весом от 70 а да 50 л
и толщиной от 3 до 40 мм, напри-
мер, поршни, маслоты, гильзы, мед
кие цилиндры, карбюраторы, Тирад..;
зы, арматура к т. д. В массе своей
кокильные отливки представляй;:
преимущественно мелкие дзж
Однако к пле.'.еднее яре.юг метал
Чичеекие формы стали iipn.чей:гты
также для иолучешш крупных чу
гупных оТЛЦЖШ. 1иК. по <Ч’.ПДСГСД|.
/тву А. А. Горшкова, М. М. Добро-
пчдц'ко!', и !1. II. Ямщашша, сш.1
Сиб итог tixjt'ei широкое Применен!;-
м jiiiTiii'
Рис. 23g Усшад
;'тЗ!.. ы,’|яи:>|7 дад
•.'Падения гад-ад ,-
адх rf.'i г ।1 шч .меты
а;, Х'ра.чс при нзгбиИ1ЛС1 ши .шгалон мсгаллург11ческ(.но обору,(.о
ШПИ1Я -ПОДДОНОВ, [ШДС1.Т1ЮК. шлакошлА коробок и Т. л. ;.
15. М. Петров сообщает об ошит if кокиль 7-тойши о пати
жора длиной 7 м и теш щи unit (Ой л,ч. Ни очном .ншо.ш
! КпмнЮ'ТО ЛС3..10 ни V |1I\JnIII и-1;ir>.:|, in 111и;||()тся ,|i,4,,r;,, 10 чу 1 vr 11 1.1
И11 [T1011Г Г? и
Принципы получения высококачественных отливок
377
в кокиль отливается цилиндр низкого давления весом 3,5 г
{рис. 239) н т. л. Славные технические преимущества кокиль
него литья в этом случае - большая плотность огливки и чис-
тота поверхности пледе обработки.
Технические, и также экономические преимущества способ
етвуют широкому развитию кокильного литья, так что м ш ко
Рис 2.T9. Теми:, raj яческпГг njKiucct' отливки п кокиль цилиндра гшакыа-
[ ь г>. те-i и ч лесом 3500 кс
ГОрЫХ HUilJiix .ШI иЙНЫХ <;JiO С<ТС'<Ж.“ЯС Г \ ЖС 30- оО1’;. от обще-
го объеме производства.
д) Подбор благоприятных но строению ис
ходных м а т с р с ,т л •> В- Выше укалывалось., что форма вы
лёдсинй графита в ошияжах в ижеглш морг лавпепт от фор
мы графита и исходных мап-риалах. П<г-лому при получи!.........
оглннок пи U!.iiTH<oi;;ricc।B.iiHiifo чугуна ct]M..ixiu!V,i iio,i6np;m.
шнх [оные материалы с. блапнцшя inoi'i tjiop мои графя га (ма.я-
углсро.чпг гг-и1, иизкокрам г I ice । j с. дрсиссниу'голып.ш чыуны) пог.
вовсе Hr, графта (стиль, белый ш.тун). С 'ri'oii целы,' tri..ino\
HC'iyj- па большом i;o.iiii'no-[г-ё стального скрапа и <>!хлДог. а на
378
Отливки- из чугуна
белом передельном чугуне е соответствующей прибавкой фер-
росплавов в шихту или в жидкий металл (способ Н. Л. Бари-
нова).
е) М о д и ф и ц и р о в а и и е ч у г у и а. Модифицирование
представляет в настоящее время наиболее распространенный
и эффективный способ получения высококачественного чугуна
Его применению на наших заводах много способствовали ра-
боты Е, М. Розенберга, К. И. Ващенко, Б. С. Мильмана,
И. С, Григорьева н др.
Способ это г заключается в присадке к жидкому чугуну раз-
ных добавок: ферросилиция, силикоалюмвния, силикокальиия
и т. д. Количество этих присадок колеблется от 0,| до 0,8%.
Они даются в. размельченном виде на желоб вагранки, в чашу
или в ковш во время его заполнения. В последнем случае при-
садку необходимо давать тогда, когда дно ковша уже покрыто
небольшим слоем жидкого чугуна—иначе возможно взаимо-
действие присадки с футеровкой.
Выбор состава чугуна для модифицирования производится
обычно в области На или в средней части области I! струк-
турной диаграммы (рис. 56) так, чтобы чугун без модифици-
рования затвердел белым, ио.'ювппчичыы или с междендрнтной
T Г>.‘! Pl ц .-|
(a>c i;in и < HiiikTtia мпднфицироианноП) чугуна
1 Гбг.м любфИк .М«| iCt Mvrviifl МС'| -ТС'-, ,
чвч ги-ы меч "с МСЧ s.CTii
Сталь, . . 1.0-30 30—40 40 — 50 50—70
Соб, % ........ 2,4-3 7 2,8-3,0 2.7-2,9 2,6—2,8
Si, % 1 8—1,4 1,8—1,4 1 7—1 2 1 7—1,2
Мп, % 0,8—1 0 0,8-1 .0 0.9-1.1 1.0—1,2
Р. % До 0,3 До 0,3 Ди 0.25 До 0,20
S, <% До 0,12 0.12 0,12 0 12
sj, кг/.и.м'1 ....... 28—32 32-35 35—38 38—40
, кг!ммъ 48—52 52—50 .56—60 60—65
/б(КИ 'VM • - • . • 9—1? 9-12 9-12 9—12
z иг -!мм- 109—110 110 — 120 120-130 130- 140
/75. ст/юи2 170—210 200—250 200-250 240—: 30
Г, кг 1 10000— ]2(ЫО ] 1 «KJ—13000 120Г.О—15000 13000—16000
ак (Пса иадрстац /ст» г.-,/2 0,0 U,8 l'),7-0,'J 0,5—1,0 0,9-1,1
• . . 5’2—14 13 15 14—16 15- 16
.71- :;.8 ю И) 38—42 12—46
?. % 10—ДБ 18—27 17- 21 16- - 20
(•.. = 1 1 К.' 1 M.U-1 </. ' 7,6 “Д 7,2- 7.3 7,2 -7,4 7,3-7.5
о % 1,0- 1 1 . 1>— I. 1,1-1.3 I.'-- 1, 1
Принципы получения высококачественных отливок
379
ориентацией графита. При этом выбирается чугун с низкой
степенью эвтектичиости и с низким содержанием углерода.
Присадка модификаторов повышает степень графитизации
и способствует получению графита в пластинчатой форме, чю
приводит к понывшншо механических свойств чугуна.
ГОСТ 26! 1—44 предусматривает четыре марки модифициро-
ванного чугуна, состав и свойства которого, по данным автора
и ряда других иеслсдователон, представлены в табл. 36.
Из таблицы ейдчо, что с повышением марки мбдифициро
ванного чугуна модуль упругости увеличивается почти про-
порционально прочности. Это означает, что повышение меха-
нических свойств происходит, главным образом, вследствие
более благоприитнон формы выделений графита. В связи
е этим наблюдается также повышение ударной вязкости к удель-
ного веса чугуна, а вместе с тем 11ешяорос понижение счо
Циклической низкости, которая wrn<.'гея все а, с па более ны-
como.i уровне, чом »> стали.
Большим преимуществом модифицированного чугуна яв-
ляет ;я высокая степень од пород ногти. как это видлс г.з исел,'
довпнпй И. О. Цыпина ". Ц|II-IMTMAUI (риг. 21'»)
Отливки из чугуна
Эти исследования показали также, что модифицированный
чугун характеризуется сравнительно низкой чувствительностью
к надрезам, посмотри на его высокие механические свойства.
Модифицированный чугун обладает еще тем преимущест-
вом. что он обрабатывается лучше, чум оГя.ишый, при одной
и топ же твердости, вследствие устранения отбела в получении
более равномерных структур л свойств и разных частях отлив
кп. Кроме того, при замене фасонного стального литья моди-
фицированным чугуном всегда возможно умены±н=ннс припус-
ков, вследствие чего экономия в механической обработке еше
больше увеличивается.
Благодаря низкому содержанию углерода и кремния,
в пределах С ф- Si —3,8—4,8% или С Si = 3,0—5,5, перлитной
структуре и благоприятной форме графита модифицированный
чугун обладает большим сопротивлением росту, высокой плот
ностью, повышенной стойкостью против коррозии и очень болы
шли сопротивлением износу. Поэтому сиг широко применяется
для отливок, работающих под давлением, при химическом воз-
лсйстпин разных сред (мирская вода, шелочи, кислоты) п, чю
особенно важно, в 'слошшх шшосл йю.'И.и'-мыые н кулачковые
валы для дшпателей мощностью до 2000 ж <., колеси мостовых
кранов, што гр;г, чнждс'И' П. <|ц ндимеп гные рамы, штампы.
Корпусы ;t дшзфр.шмн торбин, станины, 'пчпвдмп, диски
реторты, арматура и н л.).
Во многих сл'.ыаях мi>..1 [кф।и111)юлiпы;i чугун чамсияет по
ковки и гллишш из стали. Замена стальною коленчатого вала
компрессора чугунным дала, по данным Н. П. Барсишпша.
уменьшение веса заготовки на 50%, ускорение механической
обработки на 42% и снижение себестоимости па 70%.
Технологнчсчскпй процесс формовки отливок из модифици-
рованного чугуна мало отличается от обычного. Следует 'толь-
ко учесть большую линейную усадку чугуна, а так;-к--
ббльшую объемную усадку при затвердевании. Как показал
опыт ЦГ1ИИТМАШ. это делает необходимой установку при-
былей дг:? гштоипя отливок (ряс. 241). Прибыли должны быть
гем больше, чем :длше маик.ч модпфнапровашшго чугуне
(рис. 24)).
Для эффективного гн узде йг тип я модификаторов необходим-'
обеспеченне достаточно высокой температуры жидкого чугуна
(ПС ШЫД ПбО'). ВЫИ.'ЪШЛСНПОГо ГОТ 'ИЛЧ.ГГСДЬИОХГ iipOHi'Ii'l'
ci a.'iiittoi и скрипи.
МоДИфИ КЛ ГО.ры До. ; Ж Uhl ОНИ Ь рЖОШЛЬ'ЮНЫ (ПСЗИДОЛ! о .и1
применения) до слсдукШн'й г.пЛит.шы кусков:
Ковш юыъс 1 ж. лП /г,’ ... . . . . 2- И л.и
KtllBII L BK'jL’TI'IO ] Гы .....И ,U.tf
ь |>.1цы[|-.|<‘ imoiiioi . . —'ЙО .«.к
Принципы получения высококачественных отливок
38]
Заливка проржн, ттся по вобожности ггепосредстиешщ гпас-..'ir
модпфдтифования, иначе тсрясген действие модш'рикаторог,:
Щк'».В1 ij:.I.H jl,KIUI. -МИИ.
К-: .ЧЛ<-
1(1
Г,П ,8 55,
Но этой причини paniniкаюг затруднения при Додкфишг'
ровашш больших масс жидкого чугуна г, следствие значительной
затрать] времсы-i и;; занолионис ю чп ik-i и его транспортировке.
В этом случае ре-
комендуется произ-
водить присадку мо-
дификаторов не н
ковш, а в чашу, как
это впервые предло-
жено па Ново-Кра-
маторском заводе.
Такой способ ш.-з-
вляет отливать круп-
ные отливки, на-
пример, крышку [I
станину I; t ест 11 гра н
ной клети несом
в 30 н 70 т. Чинш
должна Опять доста-
точно большой и
ВМСчцаи, (лп.см ме-
талла, соответствую-
щий 5—|5-сскундпо-
му расходу. Величи-
ну кусков модифика-
тор а следует в ыб н •
рать в пределах от 5
до 50 мм в зависи-
мости от веса отли-
вок (от 5 до 70 г).
С целью сокра-
щенна времени Bi?[-
держки чугена пос-
ле присадок н коник
а также Для длше-
рис. Р4!. Дз\xKi.iaeti'Hiгый ;-ы.| втю t г.
.1|:з.ееТ(),1.ч il'eiiiiii У ](.’ л.т.'. отзигий и
[ЦП-]И1 MAIU из и1 '.';ы с I' i'-'.fiyj<i[,н>,|м гон
Фи t<зм > нгЯ1бг,1. и-i ,111 нь.т. гл 1',з1>1.'.1 ляд-гнню:
ГО усвоения Mo.-i.ii-
фиь 3'11) | >( Щ ВОЗМОЖНО и |)П MClH'llI И’ Ж11.'1Ю1’(, дюдифгшнров.шня, кз.к
это предложено В. If. Солдатеико. Опыты автора показали, 1 ir-i
при смешении об ь] а по но ваграночного чугун.'! е У?.')"-:, мал ^Кремни
стого жидкого чугуна происходит (шпышение предела нуяншост и
пр|( изгибе с 35 до 52 кя'мм-. В других опытах присядка 0.1%
3S2
Отливки из чугуна
жидкого 90%-кого ферросилиция привела к резкому увеличен! hi-
степени i рафитнзации чугуна и к повтненпю z'h с 41 ;и>
55,6 кг/мЛ-. .Жидкое модифицирование фсироеплавзми являе!
”! нгевма эффективным И удобным.
Во всех случаях необходим контроль лечи.'ння модификаю
ра при производстве модифицированного ч.муча. этой иел;л<-
'./глинают обычно цилиндрический обретши, или к.-инг и измори
ют глубину или макси мал внук.1 ширину ею •:”|С’.ч рц цо;"| части
1рис.’242). Величина этого отбела зеншснг, но лантяч
Г. И. Клецкина, от толщины стенки отливки, (рис. '_МЗ). Пермь
I i . I’-ic. Ti-2. О6рйз<;ц ды коигр«Л1| действия :д-
-----------1---------1----J дификгторов:
1 — стержень ct.tjtbk;i обиилгга ы отбе.- 20.< ->j •; p)fl у„: 2 hi.; г-.-пм,- <?
разпл до ч после моллфиаирпЕ.а.чни
Рис. 2-13. 3-
ВПС'ИМОСГ.
между у<ч:
1ЦЦ|ЮИ СР1-!-
КИ ОТД)]::-!'
[| .Ч<-И4VCT =
б)с'1н ;;i\i '
ц(1| I rj j Im' I •
Hliofjht f!:-
nil c. •’•PJ I
OiytTuncf отвела пробЬ1,мл!
Принципы получения высококачественных отливок З&ь
устанавливаются в каждой /зи генной и зависимости от размеров
отливок. Чем крупнее отливке, гем больше должны быть раз
меры образцов. Соответственно увеличивается и время от момен-
та заливки этих образцов до их поломки (от 35 сек. до 20 мин.).
Контрольные образны охлаждаются н форме Д~) вишнево-крас-
ного цвета (600''), затем замашшаюгся в воде и ломаются. 'Га
кие пробы следует брать до и после модифицирования (исходник
п ковшевая пробы).
Разница в величине отбела исходной и ковшевой проб уве-
личивается с повышением марки чугуна. Например, для кли-
на, изображенного на рис. 244, установлены в литературе сле-
дующие НОрМЫ:
/гг/.и.Ю 25—30 30—3.1 o'*—зЗ 40—4-1
Отношение величин ш,-
бела в исходной и ков-
шевой пробах 1,5:1 2 :1 (2,5—3): 1 (3—5): I
\30
ус
М
м-зг'#
-Ы-/6'
!0-
88
СталЬ 5иоитп>с,
jHi,-. 244 Сыошоншлас между иехолпон и кочшепой пробами
при контроле действия модификаторов
-H'j
ад
14 общем можно принять, чго макс и мильная ширина отпели
па чтим клине должна cuetaiwnь К' от толидины стежж
OTjfliBKH.
Свойства чугуна, в значительной степени зависят от тина
и состава модификаторов. При производстве чугуна пользуют-
ся главным образом, графитизирующими и в редких случаях —
стабилизирующими добавками. Из графитизирующих добавок
384
Отливки из w.v.wu
i[ДИЛУ4!!t: ;C |иТЗШ:|ЬтаТЫ НО.ТуЧЯ!C)TC(I Hi’K C,i. чтоЖЗЛЬЦНП, KOTO
рын доджи; содержать около 30% С.ч н ।jkojk? 60% Si upji
мИннмальтом KOJiii'K’CTrto железа (no 6<'.-.-ir<' 2—5%). Наш
i ОС,'Г, напри игр, предусматривает слсдуюннн- урн copta сп-
'!!Жокальцпя:
. ''• (1 iSi-i ( лл %| А!,'
31 ио 1 .5
28 85 Т.Н
23 Ыз .'.<0
Во МНОГИХ С Л у- чан.у ПОД КЗ УЧОТСЯ 311! СГОЮл P-jUc нТМЫМ (50.
704%) ферросилицием иди сплавами феррж’идишщ с алюми-
нием. Эти модификатора’, как показал опыт ряда наших заво-
дов, дают хорошие результаты. Возможно также применение
более сложных по составу модификаторов. Графитизиругошис
модификаторы (сплавы Si, Сз, Т;, Си, Zr) применяются, гюзн-
яым образом, для чугуна с низкой степенью эвтеюгичностн.
Количество добавляемого в ковш модификатора зависит от
(то состава, величины отбела клина а размеров отливки и к<>-
теплоте а в e.je;i vkuiIhx И петелах:
0,1.1 il |,-»:з. 11-1 ;;Н>
ИЛИ !)(!%,-1||.| a |]к J-pl К II I lIllHl'l
1 11 bl i I i|ll [) [ЮС U .11( n (Hi
lin<rryp;t ич !—2 'i.ici'i-ii
ферросв.вы.пя и I 'larrii ,t.।; ivnr ыи
Графит иди влектдычыд Лот
Сложнее х од; ii|> it катары
(например: 25% Si, 1-%,, Al, 7<(, Ti. 2'%
или 75k0 Si, So.'., ЛИ;. 7% Zr li.-ni 6% Ai,
12%, Si, M>% Си и t. л.)
0.2- 0,5"..,
0.2—0.55%,
0..‘< 0,80%,
0, io—0.25%
tl.05 -0.10%,
0.2—0,3%,
Стабилизирующие модификаторы лрямеяиюуся для более
.мягкого чугуна с высокой степенью эвтектичноелп. В качестве
таких модификаторов употребляются сплавы хрома, .марганца,
ванадия и т. д. (например: 3—5% С, 45---5'1 % Сг, 4—6% Мр
16 20%, Si, ().7!V -!,75% Zr), Кплнчесibo модификаторы1;
/; зтом случае бктлыне п сип являет о,.”, %':, оу веса чугуна, чти
является у/Не ,.)Т< hictt [ ДСП! рова в ие м.
Н ревvjjb'iагс шт'ле.т.оншнм1 aBiop.i предложен особый про
Нисс, гак на Ичваемос д в о ii н о г 'll о Л п ф И Ц н р о в л и и с, тю
торын заключается в ппелварн!слитом раскислении чугуич
(Si. Al. бок Ii и '( Ji.) с последующим затон модифицирова-
нием (StCp. I;e-Si и t. д.). что 1>беепечипает в ряде случаев бо-
лее высокие значения механических свойств, чем щн> 1:быЧ!Ч’м
Принципы получения высококачественных отливок
38j
модифицировании (это. 2-15). Эти данные показывают, что для
повышения эффектнентоти л с-; 1-ств i i;i модификаторов целеокю-
р.чзно предвапнт!’..');,нос ртокщтодто. чугуна и (| го о кислы, ело
допштельно, .че служит '1,.-|родыт,ч)мн для графита, a ирасутс-;вне
is чугун в кисло ро;: а только и пеня ктвует модифицировании».
Дальне Г: и же 11 гт!.: i а ы ы/ ыиг мгханчтоткцх свойств возможно пу-
тем модпфшнч рош; чая лстпрсвапного чугуна, а также посред-
ством применения термообработки. При этом максимальные свой-
ства получаются после закалю! н от-
пуска, как* п при обычном чугуне.
Особый интерес представляют
современные способы получения мо-
дифицированного чугуна с. глобу-
.лярным графитом. Модифицпрова-
'ние производятся при этом сплава-
ми церия или магния в количествах
от 0,1 до 1 % в зависимости от сте-
пени усвоения модификатора чугу-
ном (остаточное количество церия
,илп магнии в чугуне должно быть
около 0,0,3%; при слишком малых
концентрациях и чугуне остается
пластинчатый графит, при ел шиком
больших концентрациях чугун ста-
новится белым).
Процент усвоения магния мень-
ше, чем церия (от 5 до 25%, в за-
висимости от содержания магния
в сплаве, которое может быть от
100 до 20%).
Рис. 21"i. Влияние двой-
ного модифицирования на
механические свойства
чугуна
Недостатком применения магния является также его низкая
температура испарения (около 1107е) и вытекающая отсюда
взрывоопасность. "Этого можно избежать путем применения
сплавов магния с медью, никелем, кремнием низкой кон-
центрации ('-'20%). Однако это приводит к расходу дорогих
легнруюших элементов, Поэтому на практике пользуются часто
Чистым магнием, электроном пли высокопроцентными спла-
вами, но при этом необходимо принимать особые меры пред-
осторожности, а также гюспрепятствовать всплыванию и горе-
нию магния (с. этой целью магний тем пли иным способом
подводится под металл, причем ковш при этом должен быть
заполнен не более чем на 80%).
Несмотря на псе эти затруднения, применение магнии,
впервые нредложениое в СССР, имеет ряд технических и эко-
номических преимуществ перец нсрисм (дешевизна и более
эффективное действие).
25 Зак. 805
386
Отливхи «.? чугуна
Количество вводимых модификаторов (магния и ферроси-
лиция) зависит от толщины отливки и состава чугуна:
Tu.IllTlItOa птлнвВИ мя С, % 31, % му. Fi'Si. %
12—25 3,2 -3,4 2, 1—2,5 0,4 - о.о 0,6-0,8
25—40 3.2—3,4 1 ,0 -3,3 0,7 -(1,8 0,6-0,8
40—60 3,1-3,3 1,4—1,9 <1.8 - 1.0 0,7-0,9
60 — 120 2,9—3,2 0,9—1,4 0.8—1,0 0,7-0,9
При этом происходит всегда резкое понижение содержания
серы (ниже 0,03%), При неправильном подборе состава метал-
ла или количества модификаторов в чугуне получа'стся либо
пластинчатый графит, либо эвтектический цементит.
Во время модифицирования происходит понижение темпе-
ратурь:, и для этого исходный чугун должен быть достаточно
перегрет (до 1400—1430°),
Вследствие особенностей литейных свойств этого чугуна
следует применять тщательное питание отливок (рис, 241)
и подвергать их, как правило, отжигу для снятия напряжений.
Заливка должна производиться, как при обычном модифициро-
вании, незамедлительно после присадки, иначе содержание
магния в чугуне уменьшается и его модифицирующее действие
исчезает:
Время после присадки мл-
ГНИЯ, МИН 0.5 3.5 6.0 10,5
M'lrnitii в чхгунс, % . . 0,052 0,02'3 0,017 0,О|О
Калцч"С1ВО глобулярного графита, Фо 100 25 15 0
Как указывалось, механические свойства модифицирован-
ного чугуна с глобулярным графитом очень высоки, в особен-
ности после кратковременного отжига1.
Чугун этот представляет большой интерес для советского
машиностроен ня,
ж) Другие способы получения высококаче-
ственного чугуна для отливок. Из остальных спосо-
бов повышения качества чугуна для отливок следует упомянуть
об йрмярованп’,!, уплотнении и рафинировании.
А р м и р о в и л и е имеет целью повышение прочности чугун-
ных отливок.
1 В литературе встречаются указания на очень высокие
бепио пластические:
евойствл. ссо-
-V,-, S, %
д<! ............................... - ь'5.7
После пт,....а (I чае иг>1 . 4!1.и
34.4 цч
31.5 23,5
%
03
U.6
titi> Ifjai.-
llll), C.'.lr/е.Ч’
ИЛ
1,4
Однако эти данные еще нуждаются в подтверждении.
Принципы полцчени:! выепкокачмтнс’кн.ы.'; <ллиг.1К
Целесообразно применято армирование для крупных отли-
вок, например, для изложниц, шаботов и т. д., где арматура,
кроме повышешш прсшости, играет иногда роль холодильника
и способствует получению здоровой отливки (рис, 24<>).
[’иг. 217. Армирование тор-
м'>.!iiori колодки:
[ . - стллглтпп каркас: 2 — чугун-
иач часть колодки
Рас. 24G. Армирование шабота
Вместе с тем этот способ
с успехом применяется и
для некоторых мелких от-
ливок. например, для тор-
мозных колодок (рис, 247),
В некоторых случаях, как указывает Н, Н, Смеляков, под армированием
понимают совместную зг.лнвку чугуна со стальными, мслиымн и другими де-
талями. Такова заливка цапф в изложницах, ручек и штырей в опоках, ло-
паток в диафрагмах турбин, полых осей в мельничных валках, трубок в хо-
лодильниках и т. д. Для качественного соединения и сварки чугуна и стали,
а также для устранении возможности образования газовых раковин на сты-
ках необходим подогрев заливаемой стальной арматуры и соответствующий
перепуск жидкого чугуна в прелатах до 2-кратшцо количества металла
в зависимости от толщины отливки и арматуры.
(io г-сех случаях арматура должка бы гь хорошо очищена от ок иолов
и ржавчины. Иногда необходимо лужение арматуры -ii,K же, как жеребеек;
и случае нчжмртс.'и,пости науглероживании (лопатки) нужш, применят;, ни-
кели poefi к не или хромирование слоем толщиной 0.2—(>,25 лм«, так как покры-
тия медью, цпиком или оловом от науглероживания не Пре Д'Жр.тнягот.
Уплотнение чугуна возможно как в процессе первич-
ной кристаллизации, так и в твердом состоянии. Некоторое,
25*
388 Отливки its ч/;г-1/па
хотя п 1я?сь',га ограниченное уп.аотиепое про затверлечшппи
пронсх/ниИ', например, при HCir[pi)6ea<H::;t 'шдивке. При этом
/гй-сч hi’,(‘[Си !t<ин.!tиенне мехапшкчлшх свой.'; •, чугуна, а глин-
ным оГ.ри ;()Л| •- гмспыиеннс IИЧОНЫХ p-'.Ki.TOTO с ВКЛЮЧСНИЙ (1 ОТ-
ЛШЖНХ.
Значительно больших результату: можно д<л-т и।, в процес-
се ьрнстлллиш-пын под да плен и с.Vi f чх'иг г । l.; .vr или порпше-
вым), однако епощю этот не. получил еще практического при-
менения для чугунного литья.
Уплотнение в твердом состояпии возможно путем пласти-
ческого деформирования. При этом обжатие в калибрах должно
составлять от 8 до 20%.
Оптимальная же величина общего деформирования состав-'
лист 60—80%. Оптимальная температура деформирования ко-
леблется в пределах 850—100(Р (тем выше., чем ниже содержа-
ние фосфора в чугуне). Таким путем можно получать тонкие
кровельные диеты, если исходить из белого чугуна, и подвер-
гать их после прокатки кратковременному отжигу.
Рафилпрорапие возможно путем раскисления, детали- '
ним, обессеривания пли обработки пышками. Процессы раскис-
ления п дегазшгпн чсспо с.ншдшы с модифицированием и не
нуждаются в отдельном рассмотрении. Процессы обессеривания
будут огшсииы ниже, н отделе о плавке чугуна. Обработка
чугуна шлаками по кашля сше практического применения, нрип
щшиальпос же клюшке се на свойства чугуна Оыло освещено
выше.
3. МЕТОДЫ ПИТАНИЯ И ПОДВОДА МЕТАЛЛА
ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ЧУГУННЫХ отливок
Методы питания и подвода металла являются важными
факторами, определяющими условия получения здоровых, отли-
вок. Решение этих вопросов в общем виде дается в курсах
«Изготовление .моделей п форм» и «Теоретические основы
литья металлов*. Поэтому ниже излагаются штьдю некоторые
особенности этих методов, связанные со свойствами чугуна,
как литейного материала.
а) Питание чугунных отливок. Склонность чугуна
к об разовая ню усадочных раковин и пористости зависит от его
состава и степени графитизации ври шгенердевашш.
Серый чугун при Д0'СГ.'1 т<>чш> вышитом содержании углерода
в кремния (3,3-3,6% 2.13 2,5'ж bi) даст отливки без за-
метных усадочных цыиншн и пористое гн. С увеличенном же
присадки стали в ишхту с. уменьинчшед содержания углерода
г: кремния н чугуне или с пзмснснЩ’м других факторов, сгюсоб-
ствуюшлх мегастабилнпрму затвердеванию, склонность к об-
Принципы получения у ысо женственных отливок
3S9
разовашио усалснтак. ракощщ и пористости увеличивается. В
атом случае для получения здоровых отливок необходима уже
установка прибылен или холодилышков, в особен я ости при
толстостенном лнгне. Поп пол упои ни же отливок из болот чу-
гуна или из модифицированного чугуна с глобулярным графи-
том такие мероприятия окл.чннинотся неизбежными вследствие
значительного сочрдщепня объема металла при затвердевании.
В этом случае уетшювка прибылен или холодильников необхо-
дима даже при тонкостенном литье, так как любое утолщение
па отлпдед или местный разогрев формы чребуют специального
питания во избежание образования усадочных раковин и по-
ристости,
Из общего курса «Теоретические основы литья мет ед лог» следует, что
правильнее питание отливок пстсм применения прибылей требует удовлетво-
рения следующим дву5и основным условиям:
I) затвердевание должно носить ц а п р а вл е и н ы ц характер от места
питания к прибыли;
2) движение жидкого металла из прибыли к .месту питания может быть
обеспечено либо гидростатнчее.кнм давлением, либо кроме того еще и внеш-
ним давлением.
Для обеспечения первого условия необходимо, чтобы:
“г! > ЧТ) ''ТЧ,
где "п, 'и,. ъ( — eooTiipTCTB’.4<i:i:ri' raioyr.i .ьттверлеганчнн прибыли, проме-
жуточного KcirObri (!।!евкп! ц места г।гria1111>i.
Pro veooiiHC может быть прс.'с т .ib.iioio га щ-ионе фи ц с у.: i .1 (I, слодуеощпм
образом:
К и К;п А\; А’и _ А’-,,
Щ > , > - < ”1И - > — - ---->
?Г„ 9„ ‘/и <Ф. 9.4
или /?п> --П- Аф, (140)
'Ла *?м
где R и с? — соответствующие приведенные толщины и тсонстамты затверде-
вания прибыли (к). tacHK.a (ш) п места питания (м).
Из исрщ;;ч-с:ъа (НФ) следует, что в j,Pcc7ea;.iieM случае, когда q.., - q ш--~
= g ч, условие пцавилы-юго функционирования прибыли представляется
в следующем виде:
(1«а)
т. е. припечет-: и а я tc-.i.'iichj наабылц до.тжпл быта mтыке пг.|щаде1шых тол-
Щ|Щ use!:;<ii a г I Гт, i: 1:1 г.. В > б г1 е м же алые в 'аощгт не о к: патче я
mOii.'ji.j, гслт, ifoiiciairia axaoepTTTjaHBH у арт!бы.щ (<?и) меньше, ямы у места
trifT.-T Г I ! (,Ц ).
Да 1 к'Tiт(rrt-.'i 1,н< 1, к;н, aii.aiio pc i.a |>ЧШ и;?1 ni (1-lCt), 11; 1':а1 гpы iipiti";hi.'i ;r мочгт
f '! 1 о-1,
мыты тем "I'lnur, 4,'Ai Meirc'ia' ui i.i ;п, aie; 11..T11 — . I te/i'ToMV, рпттг
a,I '/:u
ri.iaaii 11г 1!Ы.1; 1 a. 11 n 16.4(vj; 1 и 1, 11 [> 111 r; 1 мйti, no I'.rtiMcirin’ иг юлики 11 p11n;>! 1 av 10
о,, •! 11
TO.THlHUV места питании, ;r Of : | ОI j !T | 11 г |,Ч > 11С ГП ГТ ;!PT НС l> Пт' В Я 1111Я ll '
'Л1 TllT
390
Отливка из чугуна
Эти отношения определяются физическими константами формовочных мате-
риален. местом подвода металла и условиями заполнения формы. Уменьше-
ние температуропроводности и разогрей формы у прибыли .(проходящим
жидким металлом) способствуют уменьшению ее копеганты затвердевания
(q п). о следоиятелько, и величины прибыли. В том жс направлен и и дей-
ствуют увеличение температуропроводности и минимальны Г, разогрев формы
У места питания,
Второе из указанных выше условий определяется неравенством;
М +jfn>AMrf +Ры.
или
*п а41)
а
где йц йи Ра— гидростатический напор и внешнее давление под прибылью,
h ,м d и рм—гидростатический напор и внешнее давление под местом
питания.
В простейшем случае, когда = рп> Лп, Л,,, т. е. прибыль должна
быть выше места литания. В общем же случае, когда внешнее давление над
прибылью оказывается больше, чем над местом питания, прибыль может
быть ниже отливки, ио несмотря на это должна удовлетворять неравенству
(ИО и обеспечивать правильное питание и отсутствие раковин и пористости.
С этой целью применяются прибыли, действующие под атмосферным или
газовым (сверхатмосферным) да.влением. Для этого в прибыль устанавливают'
стержень, выделяющий при нагреве то или иное количество газов Под
этим давлением металл из прибыли проникает к месту питания даже в том
случае, когда Л„ < Ач на 150—200 мм
На основе неравенств <(40) и (14!) принципиально возможно определение
размеров прибылей. Однако достоверный теоретический расчет прибылей
для чугунных отливок до енх пор не создан, поэтому приходиться пользо-
ваться, главным образом, эмпирическими формулами. Так, например, для от-
ливок типа пустотелых цилиндров. И, Ф. Воронов рекомендует следующую
зависимость:
Ап = s (1.5 + 0,03 v^) -#-**. (142)
где s — толщина стенок отливки, мм',
Н — ее высота, мм.
Для обеспечения направленности затвердевания, прибыли при этом делают
расширяющимися кверху (рис. 248, а). С той же целью при установке при-
былей на фланцах следует принимать их ширину примерно на 10% больше
диагонали флвнна D (рис. 248. б).
Диаметр прибылей, работающих под газовым давлением, может быть
определен по формуле Ф. Д. Оболенцева:
,з/'
+ 2Цсм, (143)
где Q — вес питаемого узла, кг;
R — радиус окружности, вписанной в питаемый узел, СЛ;
й — коэфицнент, равный 1—2 в зависимости от состава чугуна и вели-
чины его усадки ио время затвердевания,
i Как показали Ю. А, Нсхепдэи п Ф. Д, Оболенцев, стерженьки, уста-
наплирнемые в прибылях, действуют эффективно только в том случае, если
они являются газотворцымн. Применению этих прибылей на наших заводах
способствовали работы Л, Н. Фанталова к Л, И. Леви, Л. В. Буталова
и др.
Принципы получения высококачественных отливок
391
Пп форме эти прибыли представляют сочетание цилиндра и полусферы,
-причем высота их берется обычно равной диаметру, но для высоких отливок
(-она может быть и больше.
Во всех случаях следует иметь в виду, что размеры прибылей для чугун-
ных отливок в сильной степени зависят от состава металла и условий его
Мристаллизацик.
Обший расход металла на
Прибыли может колебаться
Поэтому в пределах 5—30%
ПТ веса отаинки.
Некоторые примеры уста-
новки прибылей на отливках
‘Жз серого чугуна даны на
Нис. 249.
Пути понижения рас-
хода металла на прибыли
заключаются в макси-
мальном уменьшении от-
ягощения констант затвер-
девания прибыли и места
питания “ . С этой
<?м
целью необходимо стое-
Рис. 248, Формы прибылей для цилиндри-
ческих отливок
-•питься к возможно луч-
;шему «отеплению» прибыли и к ускорению затвердевания
!места питания, Также необходимо обеспечивать наибольший
прогрев прибыли и поступление в нее
наиболее горячего ме-
Рис. 2-19. Примеры установки прибылей па отливках из серого чугуна:
I — церлцяя лрибмль; 2 — боком* пгч^юн с гвзгшмм да»лсяие«; 3 — верхняя
лясчая прибыль
талла, что лучше всего достигается подводом металла через
ярибыль и доливкой прибыли горячим чугуном.
392
Отливки из чцгцна
Большое значение имеет конфигурация прибыли, обеспечи-
вающая минимальный объем металла при заданной приведен-
ной толщине (/?„). Наивыгоднейшая форма прибыли, как по-
казал Б. Б Гуляев, зависит от конфигурации отливки. Однако
упрощенно можно считать, что при заданном объеме прибыль
Рис. 250. Установка выпоров на отливках
из серого чугуна:
в — прямой ьыпср; б отоод пой выпор; * для съг-
иалъйого выдора ^3°, для питающего — jo—Э0О
должна иметь минималь-
ную поверхность, поэто-
му цилиндрические и ша-
ровые прибыли выгоднее'
призматических. Точно
так же закрытые прибыли
действуют эффективнее,
чем открытые, вследствие
меньшей константы за-
твердевания, и поэтому
получили значительное
применение,
Такие прибыли отли-
чаются еще и тем пре-
имуществом, что легко
отбиваются от отливки и не требуют дорогостоящей механиче-
ской отрезки, По той же причине получили применение легко-
отделяемые верхние прибыли (рис, 249), вследствие образова-
ния надреза у основания прибыли, они легко отделяются
посредством удара кувалды или на прессах.
При применении чугуна с большим содержанием углерода
и кремния обходятся обычно без прибылей, В некоторых случаях
ограничиваются установкой питающих выпоров (прямых или
боковых), которые легко отбиваются и служат не только для
питания, ио и для вентиляции форм (о.ис. 250V Нормальные
размеры таких выпоров, по данным ЦНИИТМАШ, приведены
в табл. 37.
Питание отливок из белого чугуна отличается следующими
особенностями:
1) ввиду большой склонности к образованию усадочных ра-
ковин каждый тепловой узел этих отливок требует тщательного
питания;
2) прибыли на отливках из белог<> чугуна должны быть
обязательно легкоотдсляемыми, так как они с трудом поддают-
ся механической обработке,
Поэтому при производстве ковкого чугуна применяют ис-
ключительно боковые прибыли (рис. 251), Эти прибыли соеди-
няются с местом питания отливок посведством короткого кана-
ла (1П1ФЮ1). Несмотря па спою небольшую приведенную тол-
щину, пгспка поддерживаете я в жидком состоянии до полного
затвердевания отливки вследствие сильного разогрева этой
Принципы получения высококачественных отливок. 393
Размеры питающих выпоров
Таблица 37
Эскиз Толщина тела ОТЛНРКИ П Ml'CTC сопряжении с питающим аыпо- ром Л, лг« Размеры пн ( ЙКМНГи LiJrlupJ,
tl h больше С1ЛН равно /*
—d^ От 20 да 25 „ 50 „ 55 „ 75 „ 80 .. 100 „ 105 125 „ 130 „ 150 „ 155 175 , 180 » 200 „ 205 „ 225 „ 230 18 48 73 98 123 148 173 198 223 22 58 87 118 147 178 207 23.3 267 29 77 117 157 196 236 276 316 356 56 131 194 256 318 381 443 506 568
л
J t
ТТГ- 1 1
г-Г"П 1 1 । 1 ! ।,
ТТ^
Эффективность
лей-
проходящим
металлом.
асти формы всем
твия таких прибылей объясняется также тем, что жидкий ме-
алл проходит сначала через прибыль и, охлаждаясь, посту-
пает в место питания отливки. Прибыль же после Этого запол-
иется свежей порцией горячего металла, что весьма благопри-
1тно для питания отливки. Такие прибыли называются пря-
[Лыми в отличие от переходных или славных (рис.
251), куда металл поступает
фосте прохождения
злость формы.
, Эффективность
через по-
действия
^прямых прибылей значительно
;• выше переходных. Поэтому по-
7 следние, при прочих равных
(..условиях, должны иметь ббль-
i. Шие размеры. При этом для
экономии металла на прибыла
L длина шейки должна быть по
/7/7и^йб7^
ОерехаВнЬ/г npuStnau
Рис. 251. Боковые прибыли (прямые
и переходные) на отливках из ков-
кого чугуна
возможности меньше, во избежание преждевременного затвер-
девания в ней чугуна и прекращения питания. С той же целью
целесообразно объединять прибыл», чтобы они питами одно-
временно несколько отливок. Например, на рпс. 252 показана
Модельная доска для танок высоковольтных изоляторов. Ьо-
ковая прибыль 1., питающая две шапки, почти не отличается
394
Отливки из чугуна
по размерам от прибыли 2, питающей только одну отливку.
Чтобы компенсировать местный разогрев формы, приходится
устанавливать у места подвода металла боковую прибыль, По-
этому для экономии прибылей целесообразно подводить металл
в самые толстые части отливок, хотя такой метод способствует
Рис, 252. Модельная доска для шапок
высоковольтных изоляторов:
1 — прибыль ка две шапки; 2 прибыль на
одну галпку; 3 — илакоулолктель: 4 — стояк;
5 — лмт«шковый ход; 6 — питатель
увеличению напряжений.
Склонность белого чу-
гуна к образованию уса-
дочных раков|ин настолько
велика, что прибыли прихо-
дится обычно ставить у
каждой утолщенной части
или у каждого угла. Это
относится также к серому
чугуну с глобулярным гра-
фитом, так как и он затвер-
девает по метастабильной
системе, В некоторых слу-
чаях, при небольших тол-
щинах или при достаточно
большом отдалении утол-
щенной части от места под-
вода металла, можно рас-
считывать на то, что чугун
дойдет туда сильно охлаж-
денным и не образует уса-
дочной раковины.
Установка прибыли в определенном месте иногда представ-
ляет затруднения, поэтому очень важно правильное констру-
ирование отливок из ковкого чугуна или из серого чугуна
с глобулярным графитом. Как видно из рис. 253, конструкции,
помещенные слева, допускают устройство' питания своих теп-
ловых узлов, а расположенные справа —требуют для этой
пели установки специальных стержней. В других случаях при-
ходится для облегчения питания внутренних узлов устанавли-
вать толстые ребра, обеспечивающие направленность затверде-
вания и создающие каналы питания от прибыли к утолщенно-
му месту отливки (рис. 254).
Большое количество прибылей на отливках из ковкого чугуна
имеет споим следствием больший расход металла на литнико-
вую систему — тем больший, чем меньше вес отливок, как это
видно из следующих данных Н, П, Шумилова:
ЗИС-.5 грузовой
ЗИС-110 легковой
[<олнчсс1№ деталей
92
30
Средний яес, к,-
4.1
3,0
Литники, “о
56,7
142,6
Принципы получения высококачественных отливок
395
Поэтому б-;ень важно проведение мероприятий по экономии
еталла на прибыли. Теоретически обоснованный расчет этих
«былей представляет еще нерешенную проблему, Некоторые
Рис. 253. Правильные и неправильные сечения и поло-
жения при формовке с точки зрения питания отливок
из ковкого (белого) чугуна
юпериментальные данные для этого дает Б. В. Рабинович
put. 255).
Как видно из диаграммы, размеры прибылей
для ковкого
гуна определяются по приведенной толщине термического
зла (/?) и весу отливки
G). Величина шейки вы-
бирается так, чтобы она
'Ыла достаточной для пи-
ан кя отливки. В то же
ремя размеры ее не дол-
жны превосходить опре-
деленной величины, во
Избежание трудностей при
отбивке литников и при
эаточке их остатков на
йаждачаых камнях. По
Высоте своей прибыли
должны быть выше верх-
ней точки отливки в фор-
ме, по это условие не яв-
ляется обязательным при
Правильно
НелравилЬт
Рис, 251 Изменение конструкции кронштей-
на рессора для «игания толстой
втулки
применении прибылей с атмосферным и газовым давлением.
В этом случае, наоборот, их не следует делать удлиненными.
396
Отливки из чугуна
так как это приводит к повышению скорости охлаждения при-
былей и к уменьшению эффективности их действия.
Исследования автора, проведенные совместно с М. Н, Коно-
новым и В. Л. Абрамовым, показали, что-форма прибылей име-
ет большое значение, Устройство выемки на головке прибыли
(рис. 256) сильно повышает
Рис. 255. Диаграмма onDсделення
размероз боковых прибылей Для от-
ливок из. КОВКОГО чугуна
эффективность ее работы, в
особенности при заполнении
этой выемки газотворной
смесью. Такие прибыли имеют
открытые усадочные раковины
и работают поэтому под ат-
мосферным давлением. Пре-
имущество их заключается в
том, что в противоположность
обычным прибылям с сверх-
атмосфериым давлением, они
никогда не выбрасывают ме-
талл из стояка и не образуют
газовых раковин в отливках.
Опыты на заводе им. Лепсе
показали возможность значи-
тельного повышения выхода
годного при переходе па при-
были новой формы.
Экономия металла на при-
были может быть проведена
также путем применения хо-
лодильников. Последние уве-
личивают константу затвердевания места питания (qM) и поэто-
му уменьшают размеры прибыли (/?„), как это следует из не-
равенства (140). Однако нужно учитывать, что применение хо-
лодильников не лишено некоторых недостатков,
Холодильники вызывают иногда образование трещин и газо-
вых раковин и понижают производительность труда формовщи-
ков. Кроме того, их действие зависит от состава и толщины
обмазки, температуры жидкого металла и т. д. Поэтому холо-
дильники не в состянии полностью заменить прибыли.
Основное назначение холодильников сводится к созданию
направленного затвердевания, вследствие чего наиболее целе-
сообразным является совместное применение холодильников
и прибылен. Так, например, на отливке заднего моста автомобиля
ЗИС из ковкого чугуна холодильники ускоряют охлаждение
утолщенных мест и создают направленность затвердевания
к боковым прибылям (рис, 257),
Принципы получения высококачественных отливок
397
Размеры холодильников Б, В. Архангельский рекомендует
8 пределах:
Д . Толщина отливки S, мм до 10 10—20
<< холодильника, л/,и '(I—1,5) S (0,8—1,2) S
£ При этом охлаждающая поверхность допуска равняться
—8-кратной площади усадочной раковины.
«. При установке холодильников следует всегда заботиться
J&P возможности беспрепятственной усадки отливок во избежание
образования трещин, С этой
$елъю холодильники, зажи-
гающиеся металлом при
щадке, делают с большими
(йнусами или—еще лучше—
S3 нескольких частей, Соот-
ветствующие песочные про-
слойки между частями хо-
лодильников создают подат-
^щвость системы и умень-
шают торможение усадки.
Эти прослойки, однако, не
Должны быть велики, иначе
против них, как в термиче-
ских узлах, будут сосредото-
Рис. 256, Влияние формы прибыли нз
эффективность ее работы;
!НЫ усадочные раковины.
а — обычная прибыль; б — прибыль с сыймкоЙ
Рие. 257. Установка холодильников и прибылей на отливке заднего моста
i б) Подвод, металла при изготовлении чугун-
t. вых отливок, Подвод металла в форму осуществляется по-
fc средством литниковой системы. Выше указывалось, какое влия-
398
Отливки из чцауиа
ние имеют место и способ подвода металла на получение здо-
ровых отливок, В зависимости от характера формы, конфигу-
рации отливки и состава чугуна приходится подводить металл
в толстое или тонкое сечение, сверху, сифоном пли комбиниро-
ванным способом, способствуя направленному или равномер-
ному затвердеванию отливки,
Вместе с тем литниковая система должна осуществлять за-
полнение формы в определенное оптимальное время, зависящее
от конструкции отливки и технологического процесса ее изго-
товления. Например, высокая газ отвори ость формы, низкая
газопроницаемость или недостаточная вентиляция' (отсутствие
прибылен и выпоров) делают невозможным быстрое заполне-
ние формы без опасения захлестывания газов и воздуха жид-
ким металлом, Низкая прочность формы не позволяет увели-
чивать скорость заливки, так как в этом случае возрастает
опасность разрушения формы и увеличения веса отливки
вследствие распора, С другой стороны, низкая жидкотекучесть
делает необходимой более быструю заливку во избежание
недолива или спаев. Медленное заполнение ф°Рмьл также яв-
ляется опасным, вследствие образования корки на зеркале
поднимающегося металла при сифонной заливке или обгара
формовочных материалов при длительном воздействии лучистой
теплоты металла. Наконец, изменение скорости заливки неиз-
менно связано с соответствующим изменением температурного
перепада в форме и поэтому отражается на процессе образо-
вания напряжений и усадочных раковин в отливке. Кроме того,
литниковая система должна предохранять форму от засасыва-
ния воздуха п газов и засора, что при заливке через носок
ковша может быть осуществлено только запертой системой-
Литннковая система состоит из ряда элементов (чаши или
воронки, стояка, металлолриемника, шлакоуловителя, литнико-
вого хода, сетки, питателя и т. д.) с разной пропускной
способностью. При этом элемент, обладающий мини-
мальной пропускной способностью, запирает и
держит заполненной всю предшествующую си-
стему, если чаша или стояк поддерживаются полными путем
соответствующего наклона ковша при заливке1. Таким эле-
ментом является питатель.
1 Пропускную способность ковщей K?[ceicj в зависимости от ско-
рости их поворота можно охарактеризовать следующим образом:
Корши Ручной На вилах . . . . Барабаню.: й . . Пр<»пу<киан способность, «г.!ге/г: медленный поворот средний полорот быстрый дозорот 1,9-2,5 2,6—3.5 3,5—5,1 2,8-3,8 3,6—5,4 5,5-7,05 5,2—6-,4 6,5—8 5 8 6—10,5:
Принципы получения высококачественных отливок.
399
При изготовлении отливок из серого чугуна питателем ча-
ше всего" является последний элемент литниковой системы,
подводящий металл непосредственно в отливку. При формовке
же ковкого чугуна роль питателя обычно играет элемент, под-
водящий металл в боковую прибыль. В этом случае литнико-
вая система должна рассматриваться как состоящая из двух
частей. Первая, подводящая, часть заканчивается пита-
телем, сечение которого должно быть рассчитано для обеспе-
чения заполнения формы с определенной скоростью. Вторая
часть, питающая, должна быть рассчитана, как прибыль,
для обеспечения отсутствия усадочных раковин и пористости.
Во всех случаях формы при изготовлении отливок из чугуна
заливаются через носок ковша, и литниковая система поэтому
всегда устраивается запертой.
Для расчета сечения питателя существует ряд формул. Из
них наиболее общий характер имеет элементарная формула из
гидравлики:
~ пню о looo о а » .....
Fn —------— ------------~----------------с .к3, (144)
Trfii/zg// 0,31jxV/f т
где Fa — сечение питателя, см2;
G — вес отливки, кг;
т — время, сек;
d — уд. вес, г/смя;
и —фактическая скорость истечения металла через пи-
татель, см, сек;
Н — гидростатический напор, см;
q —ускорение, равное 981 см/сек2;
Veg -i — теоретическая скорость истечения, см!сек;
р —общий коэфициент потерь (на сопротивление, суже-
ние струи и т. д.).
Все осталь!)Ые встречаемые в литературе формулы вытекают из основной
(144). Полагая т =zy’(;. Дцтсрт получает следующую зависимость:
G G х]/(Г
Fn= -------—= ------------------- —- = ----— . (Un)
0,31 и ]/я -- 0,31 ч\/я z \/G V н
где z — скоростной коэфициент;
Н — коэфиниент потерь;
х = ~— — коэфициент, являющийся функцией толщины отливки1.
0,31
д Дитерг принимает p=const = 0,34,
толщины отливки (,?):
s, л.и 3—3,5
г 1,63
х 5,8
Эти коэфпциенты, однако, пригодны
ливок (плиты небольшой толщины),
а величину х считает функцией
6—8 8,5—15
1,85 2,20
4 9 4,3
только для ограниченного типа от-
400
Отливка из чугуна
>/s
А. К. Соболев и Г. М. Дубицкий принимают - ~ zG , откуда можно
получить формулу: а,
xG 13
~~ - (146)
Ун
Ий основе этой формулы Л. К. Соболев предложил номограмму, пригод-
ную. Глазным cifipa3OMt для станочного литья.
С другой стороны, В. М. Андреев, исходя из положения, что гидростати-
ческий напор (Я) в малой степени отражается на скорости истечения ме-
талла, приходит к следующей простой зависимости:
Fn=c/G~, (147)
где с — коэфициент, зависящий от толщины отливки'.
К такой же, но более общей зависимости пришел В. И, Фундатор;
Fn = сО'г , (148)
1 I
где п — -------в зависимости от толщины отливки.
2 4
Н, Я. Гржибовский, а потом Р. 3. Резникова и С. В. Руссияи также
пренебрегают влиянием гидростатического напора (Н), и исходя из основной
формулы (144), получают;
Fn = (149)
k т
----- G
где к = 0,31 у/ Н а- = —— кг/сяРсек представляет собой удельную весо-
г п -
Ёую скорость заливки, или, что то же, линейную скорость поступления ме-
талла в форму (С'л), ). так как v.i= 1,5 к а.
По данные Краматорского завода, весовая скорость заливки (к) опре-
деляется только весом и сложностью отливок, т. е. значением р., а не гидро-
статическим напором (Я):
к = / (fer )= f
где G — вес отливки;
V — габаритный объем, получающийся как произведение трех измере-
ний, взятых по крайним точкам из чертежа отливки.
Чем больше вес отливки (G) и чем проще ее конструкция (чем больше
тем больше значение коэфиииента и. а значит и величина весовой
скорости заливки, которая, по данным Краматорского завода, колеблется
В пределях от 0,5 до 1,3 кг/см-сек, а по данным автора,— от 0,1 до
3 кг/.см'сек. Обычно же весовая скорость заливки имеет значение в преде-
лах 0,3—1,0 кг/смГ-сек, что соответствует линейной скорости поступления
металла в форму от 0,45 до 1,5 м!сек.
' В. М. Андреев рекомендует следующие значения для коэфициента С:
S, мм до 15 15—30 >-30
с 0,В4 0,69 0,74
Эти коэфициенты также пригодны пля ограниченного круга чугунных
отливок, главным образом, для турбин.
G ЮТО P'g , Г G
-л— . 1>о—-— м/сек.
d ICbO Fn l th Рл т Fa
I
Принципы получения высококачественных отливок
401
Анализ имеющихся в литературе данных показывает, что
в отношении влияния гидростатического напора (Н) на время за-
полнения формы (-) до сих пор нет установившегося мнения.
С увеличением напора гидравлические и тепловые потери повы-
шаются— поэтому фактическое влияние напора меньше теоре-
тического, В связи с этим исследования на Краматорском заво-
де показали, что напор вовсе не оказывает влияния на время
заполнения формы;
Я, »№ 835 660 550 300
". Сех 10.4 10,3 10,4 10,6
Согласно другим исследованиям, увеличение напора в 3 ра-
... за приводит к уменьшению времени заполнения формы только
fe 1,25 раза, а при увеличении напора в 5 раз время заполнения
' формы уменьшается в 1,5 раза. Поэтому, в среднем, можно
7; Рринять, что время заполнения формы чугуном обратно про-
' порционально уН-
Противоречивы мнения и в отношении оптимального времени
заполнения формы. Однако, анализ существующих литератур-
ных рекомендаций и практика советских заводов показывает,
что оптимальное время заполнения формы может быть опреде-
лено в первом приближении по следующей формуле1:
- = mV(Ts , ' (150)
где in—скоростной коэфициент, зависящий от конструк-
ции Отливки;
G и s—толщина стенок и вес отливки.
На основе вышеизложенного можно преобразовать формулу
(144) следующим образом:
где z — коэфициент, колеблющийся в пределах от 2 до 3 в за-
висимости от конструкции отливки;
1 Г. В. Козырев рекомендует другой принцип определения времени
заливки, исходя из высоты отливки. По этим данным скорость подъема
чугуна в форме должна варьировать в пределах 24—44 мм{сек, что может
служить проверкой величины т, полученной по формуле (150). По другим
данным, скорость подъема металла в форме (v) является функцией толщины
стенок отливки:
s, мм >40 40—10 Ю—4 4—1,5
V-, мм/сек ' 8—10 10—20 20—50 50—100
26 Зак. 805
402
Отливки из чугуна
Р — коэфициент потерь, величина которого может быть
принята равной 0,4 для сырой формы, 0,5 для сухой
формы и 0,6 для дождевых питателей; для металли-
ческих форм коэфициент соответственно уменьшается
на 30% *;
Н — средний гидростатический напор 1 2, см;
G — вес отливки, кг;
s — толщина стенок, мм.
G
Отношение — означает величину^ропорциональную поверх-
ности отливки. Следовательно, ~ характеризует ее услов-
ную длину. Таким образом, из формулы (15]) следует, что сече-
ние питателя возрастает пропорционально условной длине об-
ливки.
Принимая значение г равным 2—3, можно определить вели-
чину коэфициента х в формуле (151):
Обычные питатели Дождевые питатели
сырая форма
сухая металлическая песочная
форма форма форма
4—6 7—9 3—6
металлическая
форма
4-7
Пользуясь этими коэфициента ми и формулой (151), можно
определить сечения питателен. Сечения остальных элементов
должны быть подобраны так, чтобы обеспечить «замкнутость»
системы. Для этого необходимо, чтобы:
Р'п < Рп 9-е /"с,
где fa, -?л, Fe~ сечения питателя, любого промежуточного эле-
мента, например литникового хода, и стояка;
Ип> Нс—соответствующие коэф щиенты расхода этих
элементов.
Сечения элементов литниковой системы не обязательно должны
уменьшаться по направлению от стояка к питателю. Пониже-
ние пропускной способности элементов литниковой системы мо-
жет быть сделано не только за счет уменьшения сечения, но
также путем введения добавочных сопротивлений (увеличение
длины, введение поворотов и т. д.). Однако, практически
1 Более точный подсчет коэфициента расхода 'цI, по Б. Б. Гуляеву,
возможен на основе определения суммы местных сопротивлений элементов
системы (X 5,), а именно;
1
а — --
/1 + 1 5; ‘
2 Ввиду того, что Н находится под корнем четвертой степени, влияние
его невелико. Поэтому в качестве среднего напора при расчетах может
быть взято среднеарифметическое значение Н в том случае, когда вели-
чина 77 меняется во время залинки (например, при подводе металла сифо-
ном ила по разъему).
Принципы получения высококачественных отливок
403
к большинстве случаев пользуются постепенным уменьшением
сечений элементов от стояка к питателю, а именно:
1) для массового производства и для системы с большим
сопротивлением
/Р = 1,0: 1,1 : 1,15 или 1.0:1,15:1,25; (152)
2) для индивидуального производства и для системы с ма-
лым сопротивлением
7-1п:/'л: Лс = 1,0: 1,5: 2,0 или 1,0: 2,0:4,0; (152а)
3) для металлических форм, учитывая намерзание металла
на питателях, отношение сечений элементов литниковой системы
может быть даже обратным;
Гп:^л: Fc = 1,0: 1,15: 1,25 или 1,2: 1,1 : 1,0. (1526)
При этом литниковый ход часто служит и шлакоуловите-
лем. Что касается чаш и центробежных шлакоуловителей, то их
размеры определяют, исходя из секундного расхода металла —
На основе практики наших литейных можно пользоваться
следующими формулами:
С <7 \ 1 2 Fi
'' (153)
т /
^шмв = 300(-^у-5 сх3. (153а)
Определив общее сечение питателей и наметив их количе-
ство и место подвода металла, необходимо^ обеспечить равно-
мерное заполнение формы через отдельные питатели. Опыты
Рис. 258. Влияние места установки стояка И величины сечения литникового
хода на равномерное заполнение формы
показали, что чугун прежде всего направляется в крайние пи-
татели и только потом в более близкие питатели, которые он
раньше миновал. Поэтому полезно постепенно уменьшать сече-
ние шлакоуловителя по мере удаления от стояка, как это по-
казано и а рис. 258, тем более, что и количество проходящего
26*
СечпоН
Принципы получения высококачественных отливок
405
металла также уменьшается в этом направлении. Наиболее
равномерное распределение металла обеспечивает симметричное
расположение стояка (рис. 258, слева).
Некоторые примеры устройства литниковых систем даны
на рис. 259. Подвод металла производится как сифоном (рис.
259,я), так и сверху (рис. 259,6) или по разъему (рис. 259,в).
При комбинированной заливке (рис. 259,г) питатели должны
действовать последовательно. Такая заливка может быть вы-
полнена1, если пропускная способность нижнего ряда питателей
больше пропускной способности стояка. В этом случае система
не заперта и задержка шлака производится в чаше. При за-
ливке в металлические^ формы лучше всего металл подводить
через стержни (рис. 259,ж). В других случаях он подводится
чаше всего сифоном (рис. 259,6), а при наличии стержней —
сверху (рис. 259,ёд Сечение питателей при этом лучше всего
делать щелевидным для обеспечения спокойного заполнения
формы. _________
ГЛАВА VII
ОТЛИВКИ ИЗ СЕРОГО И БЕЛОГО ЧУГУНОВ
Отливки из серого и белого чугунов можно разделить, в за-
висимости от характера предъявляемых требований, иа отливки
из конструкционного чугуна и из чугуна со специальными
свойствами (табл. 35). В зависимости же от химического со-
става они могут быть классифицированы, как отливки из про-
стого и легированного чугунов.
1. отливки ИЗ ПРОСТОГО ЧУГУНА
Основная масса чугунных отливок изготовляется из просто-
го чугуна. Отливки эти столь разнообразны по свойствам и ус-
ловиям производства, что ниже дается характеристика только не-
которых из них, представляющих интерес с точки зрения особых
свойств и предъявляемых к ним требований. Таковы требова-
ния в отношении плотности (трубы), сопротивления износу
и искривлениям (станины), антифрикционных свойств и сохра-
нения упругости (поршневые кольца), термостойкости и сопро-
тивления росту (изложницы), образования плотного покрытия
(эмалированные отливки)1, жаростойкости (горшки для отжига).
1 Классификация чугунных отливок (табл. 35) предусматривает большое
количество других групп литья ответственного назначения; автомобильное
литье, цилиндровое литье, дизельное литье, но эти отливки нс представляют
ничего принципиально нового с точки зрения свойств металла а поэтому
здесь не рассматриваются.
406
Отливки из чугуна
Эти отливки делаются иногда из низколегированного чугуна,
но в большинстве случаев это отливки из простого чугуна.
а) Т р у б ы. В зависимости от условий работы чугунные тру-
бы бывают водопроводные и канализационные.
Первые работают под давлением до 15—20 от, вторые являются
сливными и работают без давления. Водопроводные трубы отли-
ваются диаметром до 1 л и длиной до 5 м, а канализацион-
ные — диаметром только до 150 мм и длиной до 2 л,
Основные требования к водопроводным трубам заключа-
ются в получении качественных герметичных отливок без по-
роков, с равномерной толщиной стенок, точным весом (+5%)
и хорошей обрабатываемостью. Трубы должны быть также до-
статочно прочными, так как во время эксплоатации подверга-
ются гидравлическим ударам. Требования, предъявляемые к
водопроводным трубам разных классов, характеризуются ГОСТ
12523—40:
Класс А ъ с
Рабочее давление, кг'с’.1г 10 10 15
Пробное давление, кг/см* диаметр до 300 мм 25 25 35
диаметр > 30) мм 20 20 33
с4, лт/.кл/* — 24 36
Существующие способы производства труб могут быть клас-
сифицированы следующим образом:
Стационарные способы Центробежные способы
горизонтальный способ в металлическую изложницу
вертикальный способ п футерованную изложницу
Горизонтальный способ отливки труб не обеспечивает полу-
чения равномерной толщины стенок вследствие деформации
длинного стержня. Установка жеребеек для устранения этого
недостатка связана с образованием неплотностей и течи при
гидравлическом испытании. КрФме того, при горизонтальной
заливке все неметаллические включения, образующиеся фор-
мой или приносимые металлом, всплывают наверх и остаются
в стенке трубы, в то время как при вертикальной заливке они
удаляются в прибыль. Поэтому горизонтальный способ фор
мо'вки и заливки применяется главным образом в производст-
ве неответственных канализационных труб (рис. 12'4)
Заливка канализационных труб производится через три
клиновидные стояка специальным ковшом с тремя носками или
I В последнее время, в связи с особыми приспособлениями по заливке
без жеребеек, частично вернулись к горизонтальному способу отливки во-
допроводных труб длиной в 2 м и даже до 4—5 м.
Принципы получения высококачественных отливок
407
тремя ручными ковшами. Так как верх трубы всегда запол-
няется после низа, а следовательно, более горячим чугуном,
то для получения прямых труб приходится специальными уда-
рами по модели (или специальным утолщением модели) уве-
личивать толщину низа трубы, чтобы этим создать равномер-
ное охлаждение ее.
Ввиду большой потребности в канализационных трубах и
экономических преимуществ, в СССР распространяется сейчас
дентробежный способ отливки этих труб.
/1' Литье фасонных канализационных частей (тройники, отводы, крестовины
)Н т, д.) производится в песочные и в металлические формы.. Последнее уже
^освоено у нас благодаря работам Ф. Н. Сыэрапкияа, С. С. Бутузова и ДОУ-
фуях сотрудников ЦНИИТМАШ. Основными затруднениями при организации
Этого производства были Отбел и плохая заполняемость тонкостенных отли-
||;йок. Для устранения отбела применяют теплоизоляционные покрытия, подо-
грев формы ко 200—300° и быстрое выталкивание отливки из формы немед-
ленно после затвердевания. В этих условиях заливка фасонных частей с тол-
сданной стенок больше 5 мм чугуном состава 3,2—3,4% С и 2,4—2,8% Si
' ее дает отбела.
[С ' Для хорошего заполнения форм металлом, отливки располагают толстыми
частями (раструбом) кверху, подвод металла также осуществляется сверху
$4,-Лак, чтобы путь чугуна по литниковой системе был минимальным.
Технико-экономические выгоды применения металлических форм для фа-
5ф’-йояных канализационных частей весьма значительны и, по данным одного
.- .’: Давода, представляются в следующем виде:
>,Л _ Металлические
Песочные Формы формы
J1;.. Материалы. %............ 27,0 24,0
'.'у.:.' Зарплата, % .................. 30,0 12,0
' Прочие расходы, % .... 43,0 24,0
М Относительная себестоимость. % 100,0 60,0
" ГТ
.да Вертикальная формовка и заливка применяются для водо-
да-кПроводных труб. Они производятся в специальных круглых опо-
дЖ&ах, которые на 300—500 мм длиннее трубы за счет прибыль-
Ж-.Цой части. Трубы заливаются чаще всего раструбом вниз, при-
)Ж’чем в форме устанавливаются два стержня: стержень для
Жг раструба и для цилиндрической части (рис. 260). Это обеспечи-
Ж.;;Вает лучшее центрирование сердечника, более равномерную
Ж Толщину стенок, лучшую сушку и более плотную структуру
Ж металла в наиболее ответственной части трубы (в раструбе).
№ Так как трубы имеют большую высоту, то нижний конец
трубы устанавливается обычно в нижпем этаже, а верхний ко-
f нец вместе с вагранками — на втором этаже. В зависимости от
jb!j’ того, стоят ли формы неподвижно или двигаются на врашаю-
Ж щейся карусели, постепенно проходя отдельные этапы произ-
К Водственного процесса, различают ямный или карусель-
Е; в ы й способы изготовления труб, причем преимущества пос-
И;' леднего заключаются в большей степени механизации.
।
408
Отливки из чугуна
Большими преимуществами обладает центробежный способ
отливки труб. Он обеспечивает мелкозернистую плотную струк-
туру и высокие механические свойства чугуна, дегазирует ме-
талл и дает возможность получать более равномерные свойст-
ва по толщине трубы. Кроме того, центробежная отливка
в значительной степени избав-
ляет литейные, от формовоч-
ных смесей, повышает произ-
водительность труда и позво-
ляет максимально развивать
механизацию и автоматиза-
цию процесса производства.
Этот способ поощряется и
развивается на наших заво-
дах.
Вращающейся формой при
центробежном способе отлив-
ки труб может быть охлажда-
емая водой металлическая из-
ложница, специально подо-
гретая металлическая излож-
ница или, наконец, футеро-
ванная изложница.
Все указанные способы получили
промышленное применение. Наиболь-
шее распространение имеет заливка
в металлические формы. Одн.тко,
Рис. 260, Схема формовки водо-
проводных труб вертикальным
•способом
этот способ, в особенности при охлаждающейся изложнице, вызывает от-
бел и требует отжига труб.
Чтобы избавиться от дорогой операции отжига, применяют подогрев фор
мы, защитные покрытия и модифицирование.
Подогрев осуществляется обычно до 500° и выше и поддерживается либо
специальным источником тепла, либо подбором такой толщины изложницы
и режима работы, чтобы изложница не успевала охлаждаться ниже 600е
в промежутке между заливками.
Создание теплоизоляционного слоя на изложнице возможно путем нане-
сения тонкого слоя покрытия (например, песка или специальной смеси), как
это предложено было для мелких втулок А. Ф. Соколовым, а затем
В. iM. Андреевым и др., но для длинных труб этот способ требует соответ-
ствующего приспособления.
В качестве модифицирующего средства может быть применен ферроси-
лиций, силнкокальций или другой модификатор как путем присадки в жид-
кий чугун, так и путем нанесения в виде слоя определенной толщины из
поверхности изложницы. Однако, полностью избавиться от отбела при этом
не удастся. Последнее достигается при применении футерованных изложниц.
Несмотря на то, что в этом случае приходится вновь возвращаться к зе-
мельному хозяйству, указанный способ успешно конкурирует с применением
металлических форм
I Способы центробежной отливки подробно рассматриваются в особом
курсе «Специальные способы л итья».
Принципы получения высококачественных отливок
409
Состав металла для труб, производящихся разными способа-
ми, рекомендуется Е. Е. Эренбургом и В. М. Быковым в сле-
дующих пределах (табл. 38).
Таблица 38
Состав чугуна для труб
Химический с истай, %
Нлименоизние । с Si Мп Р S
Канализационные трубы и ’ части ..... 3,4—3,0 2,4—2,8 0,6 0,5—1,0 До 0,12
Муфтовые и фланцевые трубы, отливаемые верти- кальным способом . . . 3,2—3,4 1,6-2,2 0,6—0,9 До 0,5 До 0,10
Трубы, отливаемые центро- бежным способом: в охлаждаемую из- ложницу 3,2-3,5 2,2—2,5 0,5-0,7 ,0.5-0,7 До 0,10
в подогреваемую из- ложницу 3,2—3,5 2,0—2,3 0,6-0,8 0,5—0,7 До 0,10
в изложницу, покры- тую модифицирую- щим средггзом . . 3,2—3,5 1,8-2,3 0,5—0,7 .0 5-0,7 До 0,10
в футерованную из- ложницу 3,2—3.4 1,8-2,3 0,6-0,9 1 10,5—0,7 1 До 0,10
Чем больше скорость охлаждения трубы, тем больше долж-
; но быть содержание кремния в чугуне. Серу следует всегда
держать в минимальном количестве — в противном случае
возможно образование горячих трещин у раструба и появле-
>г ние течи при гидравлическом испытании. С этой же целью
содержание марганца должно быть в пределах 0,5—0,9%, но
:< тем ниже, чем больше скорость охлаждения 1. Содержание фос-
фора не должно превосходить 0,5—0,7% во избежание боль-
шой хрупкости.
Сравнительные исследования механических свойств труб, из-
готовленных разными способами, показали значительные пре-
имущества центробежного способа (табл. 39).
Вследствие более высоких механических свойств труб,отли-
тых центробежным способом, оказывается возможным умень-
шить толщину стенок на 10% против обычного вертикального
i Исследования Днепропетровского научно-исследовательского трубного
института показали, что, при некотором повышении содержать кэемния
и понижении содержания фосфора, содержание марганца может быть по-
вышено до 2,5%.
410
Отливки из чугуна
Таблица 39
Сравнительные механические свойства tdv6 диаметром 150 мм. отлитых
разными способами
Способ производств» Предел проч- ности при рас- тяжении Работа разру- шение при уд ирной на- грузке ак 1 Предел проч- ности при из- гибе Свойства об- разцов
л й 1
Вертикальная отливка в сухие формы 14,7 16,2 23,1 9840 34,7
Центробежная отливка в футе- рованные формы 20,3 17,4 36,6 10150 43,4
Центробежная отливка в ме- таллические формы . . . . 24,0 13,2 36,6 14850 48,5
Горизонтальная отливка в сы- рые формы 18,2 14,8 34,6 10450 41,9
способа отливки. Такие трубы способны также выдержать при-
мерно вдвое большее давление, чем трубы, отлитые стационар-
ным способом, и характеризуются более высокой коррозион-
ной стойкостью.
Агрессивная среда Сырая земля с с0^яин иедн 1и,1ГО181Й
Повышение стойкости при
центробежном литье, % 21 10 15
При приемке труб проверяются толщина стенок, размеры
внутреннего диаметра, профиль раструба и величина искривле-
ния. После этого годные по техническим условиям трубы по-
ступают на гидравлическое испытание под давлением 20—35 ат
в течение 1—2 мин. Во время испытания трубы простукиваются
молотком. При появлении слабой течи (потение) соответству-
ющее место зачеканивается молотком: если после этого поте-
ние прекращается, труба считается годной. Если течь обнару-
живается на гладком конце трубы, то конец можно отрезать.
После этого все трубы проходят весовой контроль, а затем,
предварительно нагретые до 100—150°, поступают на асфаль-
тирование для предохранения от коррозии.
б) Станины. Отличительной особенностью станин яв-
ляется сочетание толстых направляющих (шириной до 100—
200 мл И высотой до 70—120 jh-и) с тонкими стенками (15—
25 .илг), что создает опасность образования напряжений, трещин
и короблений в отливках в тем большей степени, чем больше
их габариты (длина станин достигает 12 м, ширина 2 м, а вес
30 и даже 60 г). Эти отливки должны хорошо обрабатываться
Рис. 261. Технологический процесс формовки станины
412
Отливки из чугуна
* тонких частях и иметь достаточно высокую твердость (170—
220 Яв) и износоупорность на рабочих поверхностях толстых
направляющих. Вместе с тем станины станков воспринимают
при работе большие нагрузки. Поэтому они должны отливаться
из прочного и однородного серого чугуна. Технологический
процесс формовки станины ДИП-200 показан на рис. 261.
Для выравнивания скорости охлаждения в разных частях
отливки приходится пользоваться, при формовке крупных ста-
нин, холодильниками. Наблюдения С. С. Чистовича показывают,
что применение таких холодильников при изготовлении станин
крупных строгальных, токарных, шлифовальных, карусельных
и других станков является совершенно необходимым — без
этого нельзя достигнуть надлежащей структуры, твердости и
плотности чугуна в направляющих. При этом твердость чугуна
Рис. 262. Расположение холодильников при формовке станины и их влияние
на твердость направляющих
по мере удаления от поверхности соприкосновения с холодиль-
ником сначала уменьшается благодаря образованию межден-
дритного графита и феррита, затем повышается, достигая мак-
симума на расстоянии около 10—15 леи от края, и после этого
медленно падает (рис. 262).
Так как наружный мягкий слой чугуна снимается при ме-
ханической обработке, то применение холодильников обеспечи-
вает получение надлежащей твердости и структуры на рабочей
поверхности направляющей. Однако, правильный подбор разме-
ров холодильников является очень серьезной и сложной задачей.
"Исследования завода «Стапколит» показали, что оптимальное
отношение толщины холодильника к толщине направляющей
составляет 0,3—0,4. Холодильники нужно располагать в шахмат-
ном порядке с небольшими зазорами (не более 1,5—2,5 льи),
Принципы получения высококачественных отливок
413
которые должны быть тщательно заделаны сухим песком, а за-
тем смочены маслом, чтобы воспрепятствовать образованию за-
ливов или засоров. Следует иметь Й виду, что слишком малые
зазоры могут быть причиной выпирания холодильников при их
расширении, слишком же большие зазоры приводят к образова-
нию глубоких тре-
щин в местах сты-
ков холодильников.
Ширина холодиль-
ников, как показал
опыт, должна быть
йа 5—10 мм мень-
ще половины шири-
да направляющей.
Во избежание
образования трещин
полезно применение
Рис, 263. Схема продувки воздуха через спе-
циальные трубы для усиления эффективности
действия холодильников
:ХОЛОДИЛЬНИКОВ со
скошенными углами, что создает постепенное изменение скоро-
сти охлаждения по направлению к песочной части формы. Для
усиления эффективности действия холодильников возможно,
Согласно литературным данным, устройство отвода тепла от них
через ‘систему труб, продуваемых воздухом. Рис. 263 иллюстри-
рует схему такого устройства для станины весом 30 г с тремя
разными параллелями. Усиленное охлаждение средней, наибо-
лее толстой, параллели выравнивает скорость охлаждения от-
ливки.
Большое значение имеет подготовка поверхностей холодиль-
ников. Эта поверхность должна быть чисто обработанной, без
видимых пороков (раковин, трещин, пористости), без окислов
Н загрязнений. Окраска должна производиться только после
предварительного подогрева перед заливкой, иначе возможно
окисление поверхности холодильника и образование газовых
раковин в отливке.
При изготовлении больших станин приходится уделять вни-
мание также деформации (искривлению) отливки, в особенно-
сти, если формовка производится без холодильников. Для
борьбы с подобными деформациями пользуются обычно моде-
лями с обратным прогибом, однако при этом необходимо за-
ранее знать величину этого прогиба.
Теоретический расчет прогиба станины возможен по следующему мстоду-
Представим себе брусок таврового сечения, как это обычно имеет место
в станинах. Для равновесия системы необходимы два условия:
1} сумма всех сил, действующих в сечении, должна быть равна нулю;
2) сумма моментов всех этих сил также должна равняться нулю.
Так как второе условие соблюдается редко (только при симметричных се.
414
Отливки из чугуна
Принципы получения въ^-сококачественны-м отливок
415
чениях). то отливки часто деформируются или искривляются
до тех пор, пока литейные напряжения ( л) вместе с образующимися'на-
пряжениями от изгиба! ) не обеспечат этого условия,
Допустим, что в станине действуют только термические напряжения, кото-
рые могут быть определены по формулам (87 и 88). Толстая направляющая
с сечением Га растянута напряжением + 3, и, следовательно, силой Рэ =
= +-л F-2. Тонкая стенка сжата силой Р, = — ®ЛР|. причем согласно пер-
вому условию Ра=Р1.
Если принять для простоты, что напряжения распределены равномерно
по сечению каждой части станины, то можно считать, что силы будут при-
ложены к их центрам тяжести. При этом получается пэра сил, момент ко-
торой (41) составляет:
7И = PC,
где С — расстояние между центрами тяжести направляющей и стенок ста-
нины.
Под влиянием этого момента (Л!) станина должна изогнуться так.
что толстая (растянутая) часть сожмется и станет вогнутой, з тонкая (сжа-
тая) часть растянется и станет выпуклой. Как известно из курса сопротивле-
ния материалов, радиус кривизны, при этом определяется по формуле:
ЕI
чтобы воспрепятствовать прорыву газов, и не должна быть
слишком большой, чтобы не увеличивать износа цилиндра и по-
терь на трение в моторе. Указанные требования могут быть
удовлетворены, при заданной конструкции кольца, только оп-
ределенной величиной модуля упругости. Поэтому величина
модуля упругости ВЬ/аота,
где I—момент инерции около оси, проходящей через центр тяжести.
Зная р, легко найти стрелу прогиба по следующей приближенной фор-
муле:
/3 РМ
-'-H-FH' ' <,54>
i должна
соответство-
расчетам кон-
""4 (обычно
„';в пределах от 8500
io 12 000 клтыг).
. "Поршневые кольца
'.'..работают при боль-
" двих напряжениях
> । (около 25 кг/м.м2) и
кроме того, при по-
вышенных темпера-
’турах (до 350°). В
i-ГВТИХ условиях При
. ’длительной работе
, ’может произойти за-
четное падение уп-
кольца
строго
вать 1
. .структора
Прогиб станин тем больше, чем больше их длина и разница
в скоростях охлаждения сочетающихся частей и чем меньше
модуль упругости металла' и момент инерции сечения. Это под
тверж дается литературными данными, на основе которых мо-
жет быть определен прогиб станиц (рис. 264).
Состав металла для станочного литья колеблется в зависи-
ругости чугуна за •
(Счет образования Рис. 264. График для определения прогиба
пластических дефор- стати i
маций, вследствие чего нарушался условия нормальной работы
(Мотора. Поэтому чугун поршнев ых колец должен не только обла-
мости от класса литья
да «Станколитр):
I класс СЧ 21-40
II класс СЧ 18-36
Ш класс СЧ 1,5-32
следующим
с,% sr%
2,4—3,15 1 3—1,5
3,1—3,3 1.6—1,8
3,3—3,5 2,3—2,5
образом
Mti.%
0,7-1 о
0,6-0.9
0,5—?’
(ПО данным
ЗЯ во
Р.%
0,18—0,25
0,2 —0 4
0,3 —О’5
S.%
До 0,12
„ 0,12
„ 0,11
Дать определенной упругостью, но также сохранять ее в тече-
ние длительного времени. Чугун, следовательно, должен сопро-
;,тивляться образованию пластических деформаций в условиях
работы поршневого кольца в тчаоторе.
Кроме указанных специальных требований чугун поршневых
колец должен быть достаточно прочен, чтобы выдержать дей-
(Ствующие напряжения и удариые нагрузки. Он должен быть
также умеренно тверд, чтобы обеспечить хорошую обрабаты-
ваемость и низкий износ как ссамого кольца, так и в особенно-
в) Поршневые кольца. Поршневые кольца служат
уплотняющими пружинами и должны препятствовать проник-
новению газов и масла из одной части цилиндра в другую.
Поэтому поршневые кольца должны плотно прилегать к цилин-
дру и производить определенное к равномерное давление на
его стенки, обычно, в пределах 0,4—1,3 кг/сад3. Это удельное
давление должно быть одинаковым по всей окружности кольца
во избежание неравномерного износа цилиндра и образования
просвета. Величина этого давления должна быть достаточной.
сти более дорогого цилиндра.
Испытания колец на твердость производятся обычно по Рок-
веллу (шкала R, нагрузка 100 кг). Опыт показал, что хорошие
нольна характеризуются однородной твердостью 97—103 ± 1,5.
При пользовании прессом Бри неля диаметр отпечатка должен
Находиться в пределах 3,7—4,0 мм.
При испытании колец на прочность, упругость и остаточные
деформации пользуются особыми приборами (весами) и соот-
ветствующими схемами (риС. 265).
416
Оглишса оз чугуна
Показатели прочности и упругости могут быть вычислены по формулам:
„ си-'я ; и L
---lj ке/.имв, (155)
где: __ предел прочности на изгиб, который должен быть не меньше
40 кг/ям?;
Р, — разгружающая нагрузка по схеме 3 (рис. 265);
Д b t — диаметр, высота и ширина кольца.
Модуль упругости (Е) и удельное давление (Р) легко находятся из фор-
мул (156) и (157): р £>
Л = 5,37—- 1~ — 11 кг/м^Р, (156)
Ь/ \ t ’
0,76 Р^.
Р = ~ Hd— кг/'мм~< (15Т>
Рис. 265. Весы и схемы испытания
поршневых колец:
I U 2 — схемги испытания на упругость; 3 —
скеха 1гс.пьп анц-я H<t згиб и остаточные де*
формация
где Р-2 — нагрузка по схеме 2,
необходимая для уменьшении за-
зора между концами кольца на
величину f.
При пользовании лентой или
шнуром для сжатия кольца по
схеме I расчет упругости может
быть произведен по тем же фор-
мулам (156) и (157), однако, с
поправочным коэфлцнеятои. исхо-
дя из Р2=2,63 Рр
Наконец, испытания на оста-
точные деформации ( пл ) про-
изводятся по схеме 3 при напря-
жении в 25 кг!мм2 и подсчиты-
ваются но формуле (158) к
Г" 100%' (158)
Л;. -21,
где 4, — аазор замка до испыта-
ния;
Ао — аазор при напряжении
25 кг!ш&:
As — зазор после снятия на-
грузки.
Величина в формуле .(158)
представляет, таким образом, вы-
раженное в процентах отношение
остаточной деформации (Л3 — Л,)
к общей деформации (Л2 — 41J.
Эта величина колеблется в пре-
делах от 4 до Ц5% и чаще всего
составляет 10—12%.
С целью уменьшения остаточных деформации применяют, как правило
термическую обработку для снятия напряжение!. Отжиг ведется обычно при
температуре 550° в течение 30 мин. с последующим охлаждением в печи до
400° в течение 1—2 час. и с дальнейшим охлаждением на воздухе.
1 Соответствующая нагрузка (Рз) может быть определена из фор-
мулы (155).
Принципы получения высококачественных отливок
417
Для примера в табл. 40 представлены, по данным
В. П. Гречина, некоторые характеристики поршневых колец
авиационных, автомобильных и тракторных моторов.
Таблица 40
Характеристика поршневых колец авиационных, автомобильных
и тракторных моторов
Типы кпдец Диаметр Ширина р Е Способ отливки
/. JX.ll s_' a; с
150 19 53,5 1,0 12010 9 ,Частоты в песоч-
17 НУЮ форму
146 48,8 1.0 8000 11 ' Масло ты в центре-
Авиациои- бедную форму (кокиль)
16) 20 45,0 0,95 11000 13 Го же, в фстеро-
ванный кокиль
155 21 37,(1 0,80 9000 10 Л и див и дуальный
Автомо- но 9 47,2 1.0 Ч 391'0 10
би.тьные
Тракторные 120 165 14 22 48 2 37,2 1.08 1,20 112200 । 9450 9,0 13,0 »
Трудности получения хорошо работающего поршневого кольца заклю-
чаются не только в выборе материала, но и в придании кольцу правильной
, формы для обеспечения плотного и равномерного прилегании к цилиндру.
' Для этого кольцо в сжатом состоянии после вырезки замка должно иметь
форму правильного круга, а до вырезки дамка — какую то сложную эллип-
тическую форму. Эта форма математически определена работами советских
Специалистов 1". С. Коссова, Б. Я. Гинзбурга и др. н может быть обеспечена
в процессе механической обработки, термической обработки (тсрмофиксацця)
или непосредственно в литье.
В последнем случае пользуются индивидуальной заготовкой, причем мо-
дели делают с необходимей эллиптичностью i. После вырезки замка, соот-
ветствующего сжатия и механической обработки - кольцо должно принять
правильную круглую форме. При этом способе механическая обработка по-
дучается Н'аибо.пее простой п дешевой.
В настоящее время практически применяются разные спо-
собы отливки поршневых колец: в виде маслот в песочные или
металлические формы (стационарные и центробежные) и в виде
индивидуальных заготовок.
। Эллиптическая моделг, может быть получена из круглой путем раз-
резки, разведения концов и соответстпугсяией астаетта.
Но наиболее современному «копирному» способу обработка кольца
производится по специальному копиру до вырезки замка.
27 Зак. доз
418
Отливки, из чугуна
Рис. 266. Стопочная заливка
из [Диви дуальных поршневых
колец
Сравнивая разные методы1 отливки колец, можно отметить,
что каждый характеризуется своими преимуществами и недо-
статками, так что ни одному из них не отдано пока оконча-
тельного предпочтения. Например, отливка мае лот в металли-
ческие формы характеризуется получением плотной структуры,
малыми остаточными деформациями и высоким модулем уп-
ругости, но недостатком этого метода является образование от-
бела и междиндритиого графита. Отливка маслот в песочные
формы вследствие медленного охлаждения имеет преимущест-
ва в отношении получения благоприятной формы графита
н высокого сопротивления износу, но характеризуется боль-
шими остаточными деформациями и меньшим модулем упруго-
сти. Индивидуальная же отливка дает плотную структуру, эко-
номию металла и сокращение механической обработки, но мо-
жет иметь меньшую износоупорность из-за мелкого межденд-
ритного графита и сопровождающего его феррита. В этом слу-
чае необходимо применение соот-
ветствующих -мер против переохла-
ждения при кристаллизации.
Ряд преимуществ индивидуаль-
ной отливки колец делает этот спо-
соб рентабельным и очень распро-
страненным. При этом заливка ко-
лец часто производится в стоп-
ку (рис. 266). Для выравнивания
скорости охлаждения у конца, про-
тивоположного питателю, устанав-
ливают сливной резервуар. Однако,
полную однородность при этом все
же достичь трудно, что является
недостатком этого способа произ-
водства.
Во всех случаях наилучшей
структурой чугуна для поршневых
колец является перлитная с
тонкой с ет к о й п с е в д о т р о fi-
ll о Й ф о с ф и д н о й эвтектики
при большом количестве
сравнительно мелких и за-
вихренных выделений гра-
фита (рнс. 267). Такое строение
обеспечивает вес необходимые свойства чугуна. Высокая проч-
ность является при этом результатом перлитной структуры и
благоприятной формы выделений графита. Большим модулем
упругости этот чугун обладает вследствие размельчения выде-
Принципы получения высококачественных отливок
419
дений графита. Сопротивление образованию пластических де-
формаций является следствием благоприятной формы графита
и отсутствия феррита. Малый же износ сообщает чугуну пер-
литная структура с сеткой фосфидпой эвтектики и обильным
количеством грифита1 пластинчатой формы,
Поэтому в структуре поршневых колец не должно быть ни
свободных карбидов, ни междепдритного графита И сопровож-
а б
Рис, 267. Структура чугуна поршневого кольца:
а _ X № 6 - Х 2М
.дающего его феррита, несмотря на то, что такие кольца ха-
ракте разуются высоким модулем упругости. Точно также фос-
?.фидная эвтектика не должна иметь форму крупных включений
или крупной сетки во избежание выкрашивания фосфидов
и повышения износа.
Состав чугуна, обеспечивающий получение подобной струк-
туры, должен быть выбран в зависимости от размеров пор-
шневого кольца и способа производства. Некоторые харак-
терные в этом отношении данные представлены в табл. 41.
Из табл. 41 видно, что при индивидуальном способе отлив-
ки колец необходимо прежде всего обеспечить высокое содер-
жание углерода (до 4%) в чугуне, чтобы избежать образова-
ния междендритного графита при быстром охлаждении тонких
отливок. При отливке же маслот содержание углерода может
27*
420
ОтЛЦв/Ш Un ЧЦ.-’!!НП
1' а б Л к на 41
для порти с ID4 х колец
Химический состав чугуна
X(гм11ческлм . цетан, %
flirr 1,ий[.Г(Й С,.л % в Si Мп Р S
Кольца аниамоторо)
индивидуальная от- ливка маглотиан отливка центробежная от- ливка в кокиль 3 8-1, с 2,9- 3,3 2,3—3,5 0,7—0,9 0,7—0,9 0,7 -0,9 2 4—2,7 1,5-1,9 1,8—2,3 и 0-1 (’ о,7-0,9 0,6-0,9 0,5—0,7 0,3—0,6 0,3-0,6 До 0,1 ,> 0,1 » 0,1
Кольца автомате 1 ов е.нд видуаль» ные:
хтз 3|ЩД стз Кольца для крупно* двщ а теле 11 ССП от со (',7—0 9 0,7-0% <>,7—0,9 0,7—0,9 2,6—3,1 /, 4-2,8 —3,7 1,1 - 1,8 0,3-0,6 0,51 —0,75 о,7—0,8 0,6-0,9 0-00 *Co'^V/c*5 Nil С “ с о С/1 ф. ОС о до 0,1 0,07 0,67 0,1
t Согласно данным Д. П. I'аух:>иа, для инл«видуильных колец ЗИС
хорошо з; 1|)Гк<)М(Ч1д.г.>ш.1Л себя t.itoki? лithpou.-j1111ыii чугун: 3,7—3 9% С, 2,8—
3.0% s<; 0,6—0,8% Мп; 0,3— 0,6% P. до 0,07% S; 0,25—0.35% Cr; 0.25-
0,40% Mo.
быть снижено. Содержание кремния выбирается в зависимости
от толшины отливок, а содержание фосфора рекомендуется
в пределах 0,3—0,8%, В крупных поршневых кольцах содер-
жание углерода и кремния держат на более низком уровне.
Во всех случаях весьма полезно модифицирование чугуна.
г) И з л о ж в н ц ы. Средни» расход изложниц в нормаль-
ном металлургическом цикле колеблется в пределах от 2 до
3% от веса жидкой стала. Поэтому сокращение расхода из-
ложниц представляет собой актуальную народнохозяйственную
задачу.
Условия работы изложниц в процессе эксплоаташш являют-
ся весьма тяжелыми. При заполпетщ изложницы жидким ме-
таллом происходит резкий пйлт.ем температуры и;; ее поверх-
ности и, следовательно, термический удар. При идеальном
коитакес внутренняя сторона 11чл-> ж и ты прогревается при этом
до НО'.!практически же, как показа/! Б. Б. Гуляев, температу-
ра эта не превосходит 3(Ю’ даже па граненых изложницах, где
контакт между жидкой сталью и изложницей осуществляется
лучше, чем и круглых изложницах (рис. 268% По мерс вы-
Принципы получения высококачественных отливок 421
дсржки слитка в
тем интенсивное,
изложнице прогрев ее стенок прогрессирует
чем меньше, толщина изложницы.
I [агретые до ненысо-
koii температуры । и к.ч и в пи
слои металла препятст-
вуют расширению внут-
ренних и сжимают их. В
соогиетстшш с этим в из-
ложнице развиваются на-
пряжения, обратные по
знаку литейным: сжимаю-
щие -па внутренней по-
верхности н растягиваю-
щие— па внешней. Эти
растягивающие напряже-
ния, быстро возрастаю-
щие, как показывают
литературные данные, в
первые моменты после
заливки (рис. 269), могут
вызвать иногда при не-
правильном составе ме-
талла образование п р о-
iniiJdutie. мнили у
Рцс. 2о8. Температурные поля в стенкзх
пджиц разной толщины и формы:
« — =0,6 tw/c.ir; £Т——
Аа А-
1,2 сем/тл;2;
в——; -= 2,4 ft'/i’/r.M*; г — - -- ,3,6 еек/см;
л?®
(Э— - 6 С,К/С 1Г3
А”
д о л ь I! ы х т р С ИГ и и н а н а р у Ж II О II II О перхпо С Т и из-
ложи ин (трещины первого рода) при первых же заливках.
Особенно большую опасность в этом отношении представляют
крупные и тсшкостснные изложницы, где напряжения значи-
тельно выше, чем в мелких п толстостенных. Эта опасность осо-
бенно велика, когда изложница отлита из чугуна с низкой проч-
ностью. пли, что еще опаснее, с низкой пластичностью.
Противоположные по знаку напряжения образуются при по-
следующем остывании изложниц, в особенности при быстром
охлаждении (купанье в воде). Эти напряжения должны, каза-
лось бы, нейтрализовать напряжения, образующиеся при раз-
ливке стали. Однако, в процессе нагрева часть упругих дефор-
маций превращается в пластические, главным образом, во внут-
ренней части изложницы. Поэтому .в наружных зонах излож-
ницы остаются сжимающие напряжения, которые вызывают
р а е г я г и ц а ;о щ н е напряжения на и ii j г ре пн eii no-
li с р х н о с -г и. Эти напряжения сравни голмпэ невелики. Одна-
ко, при многократном нагреве и охлаждении и при потере
прочности и пластичности чугуна вследствие яплеппп роста они
вызынаюг <н>р;r;oe,ai[ис продольных волосяных трещин на ннут-
реппсн поверхности изложницы (но определению Л. Л. Горшко-
ва— трещины второго рода).
422
Отливки из чугуна
Попеременное нагревание и охлаждение изложниц приводит
к постепенному ухудшению (разгару) поверхности. Это явле-
ние было объяснено еще Д- К. Черновым, выдвинувшим так
называемую «механическую» теорию разгара. По этой теории,
Рис. 269. Изменение температуры и величины напряжений
на внешней и внутренней поверхности изложниц с разной
толщиной стенки (68 и 200 мм при диаметре слитка
930 мм)
наиболее нагретые внутренние слои изложницы (а также ору-
дий) сильнее других сжимаются при охлаждении и, сокращаясь,
дают трещины. В результате этого на поверхности изолжницы
образуется сетка (рис. 270), что приводит к затруднениям при
удалении слитков. Образование сетки разгара сопровождается
явлением роста, а следовательно, окислением элементов и соот-
ветствующим изменением состава чугуна, Как показывают ли-
тературные данные, содержание углерода, кремния и марганца
действительно понижается во внутренних зонах изложницы
в процессе ее экенлоатации (рис, 271).
Трещины (главным образом второго рода) и сетка разгара—
наиболее важные причинами выхода из строя чугунных излож-
ниц, Образование трещин особенно опасно в крупных изложни-
цах ввиду возможности несчастных случаев. Поэтому при про-
ектировании и производстве этих изложниц необходимы меро-
Принципы получения высококачественных отлио&к
423
приятия, уменьшающие опасность образования трещин даже за
счет увеличения разгара. Остальные возможные причины разру-
шения изложниц (размыв стенок струей стали, выбоины, привар
н т. д.) связаны с условиями эксплоатации. Общая стойкость
Рис. 270. Сетка разгара иа внутренней поверхности изложницы
изложниц зависит от ряда
причин: состава и структу-
ры металла, размеров слит-
ка, конструкции изложни-
цы, условий разливки и
эксплоатации и т. д. Она
может быть выражена ко-
личеством заливок или ве-
совым расходом изложниц
и колеблется в больших пре-
делах (от 30 до 200 и даже
до 500 заливок).
Во всех случаях высокая
стойкость изложниц может
быть обеспечена только при
совместной работе конструк-
тора, литейщика и стале-
Рис. 271. Изменение состава металла из-
ложницы при длительной работе
плавильщика, поскольку она
определяется конструкцией изложницы, составом и структурой
металла и условиями эксплоатации.
4'24
Отливки из чугуна _____________
Л1алая толщина стенок изложниц приводит к увеличению
напряже.ций п опасности образования трещин. При большой
толншнг. столок происходит длительны!’! перегрев внутренних ио-
нервноец;ых слоев, что влечет за собой у 1и.-1..-1[1’!Сцие разгара.
Поэтому ]||)и щяходс мелких и средних изложниц из строя
кс,.'|сдс|'|<,ие образования трещин целесообразно иногда увеличи-
вать толшнну стенок. Вели же главная ирнчпиа выхода излож
щщ из строя — разгар, толщину стенок полезно уменьшать.
Большое значение имеет также форма сечения изложницы.
Как видно нз рис. 268, круглые изложницы характеризуются
меньншм нагревом и меньшим перепадом температур и поэто-
му отличаются более высокой стойкостью. Однако вследствие
опасности образования трещин в слитках крупные изложницы
приходится делать гранеными.
При конструировании изложниц надо учитывать общие ли-
тейные правила: необходимость устранения острых углов, рез-
ких переходов, местных концентраций больших масс металла
и т. д. Вместе с тем вследствие большего прогрева низа изложни-
цы, в особенности при сифонной заливке, толшнну стенок де-
лают неравномерной, повышая се в соответствии с увеличением
температуры прогрева. С этой же целью производится армиро-
вание низа изложницы. Во всех случаях должна быть обеспе-
чен;! достаточная конусность в изложнице (1—2 ы ) для облег-
чения разлепиния слитка.
Бще большее ai;ашчiне имеют структура и состав металла.
Но вопросу о том, какая структура чугуна является и.чилуч-
шей для изложниц, до сих нор существуют противоречия. Они
могут быть, однако, разрешены, если учесть условия эксплопта-
1ПШ И причины выхода изложниц из строя.
Увеличение стойкости изложниц, выходящих из строя в ре-
зультате образования трещин, может быть достигнуто за счет
повышения теплопроводности чугуна (увеличение количества
феррита, укрупнение графита) или за счет понижения модуля
упругости (увеличение количества, и укрупнение, выделений
графита). В случае же выхода изложниц из строя по причине
разгара, повышение их стойкости может быть достигнуто уже за
счет увеличения количества перлита и новы'пения устойчивости
его карбидов.
Как 11 г.>|.. ;1 : ;1,:( 11 СВОИХ работах В. II. <' ('.С1 [ 11 [ 1 КО В, К, Ф. СТЙ-
родубов, II. II. Б.тишяп А. А. Горшков и др,, пзлои<1пшы, нод-
1Юр',1о,Ш1 [Н1. рпчару iKjBrpxiBn"riI. .,|о.,;жиы иметь перлитную
огр сатуру, а 11 ш । ьк шп: । >i. выходящие кт строя в pc.iynb'i атс обра-
hoik’Hiui трещгн! перлни! ферритную. Поэтому мелкие излож-
ницы i<oi'H. в оеповпом, на перлитной основе, а крупные —
на перлиго-феррчтнон.
Принципы получения высококачественных от.-швек
425
Для малых изложниц предпочтительно иметь чугун с мелки-
ми выделениями грифита; в крупных изложницах, наоборот, по-
лезны более грубые выделения графита и в достаточно бадьи или
количестве, При эгом следует избегать образования гр;н|>ити
в междендритноп форме, так как тпкоГт графит, согласно наблю-
дениям, проведенным па Кировском заводе, способствует обра-
зованию трещин в изложницах.
В связи с этим определяется н влияние химического состава
чугуна на стойкость изложниц. Для увеличения термической
стойкости, чугуна, как это показал в своих опытах П. П. Жев-
тунов, необходимо придерживаться высокого содержания угле-
рода в чугуне (3,3—3,8%). Содержание кремния должно быть
выбрано в соответствии с желательной структурой, обычно
в пределах 1,3—2%. С повышением содержания кремния в чу-
гуне увеличивается выход нз строя изложниц вследствие разга-
ра и соответственно уменьшается выход нз строя вследствие
образования трещин. Общая стойкость изложниц может при этом
увеличиться или уменьшиться. Например, исследования
Б. А, Богораза показали, что стойкость изложниц повышается
с уменьшенном содержания кремния в чугепе до 1.2—1.5% г
Однако, практика болыппнетва наших млi-rюииз говорит в пользу
более высокого содержащая кремния, тик кик выход из строп
изложниц вслсдспшс образования третий оказывается опаснее,
чем вследствие образования разгара. Поэтому ГОСТ 3042—15
на чугунные изложницы для ноктю'шых слитков предусматри-
вает более высокое содержание кремния для крупных пзло/К*
ниц, несмотря на их более медленное охлаждению:
Слип;и<4 ы
Слитк1т>4 m
3,3—3,8
3,3-3,5
Si,%
1,35—1,50
1,80—2,10
|V| %
0.G—0,8
0,6—0,8
0,1—0,18
0,1—0,18
S.%
До 0,1
До 0,1
Многие заводы заливают крупные и мелкие изложницы чу-
гуном одного и того же состава (1,7—2,0% Si), ориентируясь
на то, что медленное охлаждение крупных изложниц обеспечи-
вает большее количество феррита в структуре. При этом моди-
фицирование чугуна даст возможность понизить содержание
кремния в металле (до [.2 — 1,5%) без опасности выделения
графита е межденл.рптшш форме. Это прнплдпг' к повышенно
стойкости изложниц против разгара бел coriTr.ercTByionioro уве-
личения выхода нз строя из-за трещин. Поэтому модифициро-
ванный чу('уп пспользуется уже для наложниц в ряде советеi-шх
литейных.
1 3- д| in..и'г|:('р11те..||,||ыс pe;iyjt(/r;:riit, и<viу’iч111гые В Л. Tim n|i;r™, при
HHdiour ..'о .'i <' p ж г и i< тг кремния а нз ли ж 11 a i ь । х ((бъясггяюггн всром гы> и-эянфя-
цчрожн-нен чугун;!.
426
Отливки из чугуна
Количество нагревоЗ
a g
Рис, 272. Изменение механических
свойств материала изложниц при их
эксплоатации:
1) чугун с содержанием 1,2—Кб®/» Мп
б) чу гул с содержанием L7—Мп,
разеванию трещин. Исключение
Содержание марганца рекомендуется обычно не выше 0.8—
1,0%, чтобы уменьшить опасность образования трещин. В неко-
торых случаях, с целью увеличения сопротивления росту, содер-
более высоких пределов (1,5—
2,0%). Однако, это допустимо
только при достаточно высо-
ком содержании кремния и
только в том случае, если
большинство изложниц выхо-
дит из строя вследствие раз-
гара,
Содержание фосфора в из-
ложницах, ввиду их работы
при высоких температурах, не
должно превышать 0,2%. Серу
же, учитывая ее влияние на
склонность к образованию тре-
щин, следует держать всегда
на наиболее низком возмож-
ном уровне.
Легирующие элементы обы-
чно не применяются, в особен-
ности для крупных изложниц,
так как они способствуют об-
составляет медь, которая при-
меняется иногда в пределах до 3—4%, так как повышает тепло-
проводность чугуна и поэтому увеличивает стойкость изложниц.
Неменьшее значение имеют свойства чугуна, его прочность
и особенно пластичность. Как показал Г, И. Аксенов, механиче-
ские свойства чугуна (эл ,8 ) падают по мере работы изложни-
цы вследствие явлений роста (рис. 272). Стойкость изложниц,
обусловленная образованием трещин, определяется тем коли-
чеством нагревов, которые понижают удлинение чугуна (') до
величины рабочей деформации изложницы (е) как это пока-
зано на рис. 272. Поэтому чугун изложниц должен обладать
высокой пластичностью и медленным снижением ее в процессе
эксплоатации.
Для обеспечения стойкости изложи и ц литейщикам необходи-
мо не только правильно подбирать состав металла, но и обеспе-
чивать гладкость и чистоту внутренней поверхности, которые
должны сохраняться в процессе эксплоатации. Наличие на этой
поверхности углублений, трещин или выступов недопустимо не
только потому, что при этом затрудняется удаление слитка, ио
также и потому, что затрудняется усадка и возрастает опасность
образования горячих трещин в слитке
Принципы получения высококачественных отливок
427
Пример рационального технологического процесса формов-
ки изложницы показан на рис. 273.
Большое внимание следует уделять процессу изготовления стержней для
гожииц; составу смесей, равномерной забивке, хорошей вентиляции, тща-
1ЫЮЙ окраске и сушке. Мелкие изложницы заливают обычно в сырые
ормы, средине и круп
ые — в сухие, причем
еталл подводят как
ерху (дождевыми или
Зычными питателями),
к и сифоном. Приме-
кие металлических
зрм не рекомендуется,
иду увеличения склон-
сти к образованию
ещин. Заливку метал-
ведут обычно при
мпературе 1190—1250°.
В процессе производ-
на изложниц вопросам
готова ей и я и сборки
>рм должно уделяться
льшое внимание во
беж ан не образования
аковин, пригара, на-
жжений. разностен-
СТИ и других пороков.
частности, не следует
пускать разиостешю-
и выше 5—15 мм
зависимости от тол-
аны стенок изложниц),
к как в противном
учае могут возникнуть
^эсьма опасные но вели-
кане напряжения.
С целью снятая па-
яжений в изложницах
Комендуется иногда
сведение ннзкотемпе-
турного отжига. Одпа-
!, исследования цока-
Рис. 273. Схема формовки изложницы
ли, что такая термине-
ая обработка не окл-
(вает положительного
^лияиия на стойкость
З&ложниц, так как в
^Соответствующие напряжения. Поэтому целесообразно периодическое снятие
Напряжений посредством отжига во время работы изложницы I.
процессе экеплоатацин все равно развиваются
1 Г. И, Аксенов предложил ввести «азтофретаж» изложниц для нови-
Йеиич нх стойкости, С этой целью должны применяться ранняя внбинка
' >зложц|И1Ы и очистка ее снаружи от песка для ускорения охлаждения на-
ружных поверхностей и создания литейных ня пряжений, обратных экенлоа-
'’Тациоипым. Этот способ .однако, как показал А. А. Горшков, сам п<> себе
j Может вызвать опасные напряжения в изложнице и поэтому требует еще
Тщательной проверки.
428
Отливки. и.з чугуна
На стсйкистр, Т-Ж1Ж1111Ц оказывают н.-иътнце щ -только условия их изго-
TOFI,'|L4il% U(1 л 1, ОПЦИЯ 2Ж1'П.|0;И;и1Иа. С ТОЩ Т(.,•:(.; II древня Щ|ЖНЫ ш-догню,
H^.'UivKi।нi;i,i, слт се, правильное iы11рai>.;еsi 1 и* ст:>\и стили при аа-нтьс,
причсксни(- етрипсра при рпздшшшш c.'iитк;i \i т. л. Вц.ц-ржка слитков в и ;
лож и идах дожни быть MiiHitMajnaio.i ио и ли с?/К ti i г 111 11, ц с г!)(? на in.ii.ienxiiae.i n.
H,ii!,iisii. c to'iKH зретш» техники rioiг’11;i<:rituni,i потопу; inxitj преждевремении.-
К m.'ic'H'IIrn.’ C.TItTKPB IK) ЦЗ.'Г<»|< 11 II ЦЫ ЮО щмМОЖ ИНГ,) ||;>, |[Ц.|И.Г| ЖПДКОН 401.11.
череп корну металл;). Затвердевшего на нг.ч< 1статоч)|vio е.типу. Наконец,
следует указать ня недопустимость охлаждения нз/южипи путем ио,траки и :
Gpaiuenoirra, так пак при этом создаются ус-товря дня исрапкомерного о.-.
Лаждсния и образования трещин.
Металлические формы (кокиля), применяющиеся для norfV'ienini фасопито
отливок из чугуна, стали и цветных сплавов, работают в тех же условиях,
г, каких работают издожя-.щн для слитков мелкого развеса. Наиболее стой-
ким в этом случае является перлитный чугун. Опытами, проведенными груп-
пой специалистов под руководством Н. Н. Рубпопз, установлено, ,То содер-
жание фоефорв в этом чугуне не должно превосходить 0,6%, содержание
серы — 0,12%. Кокили до.яж:гы отливаться в песочных, лучше всего в сухих,
фор мах.
Стойкость кокилей, как и пзложниц, зависит от условий производства
и колеблется в пределах от ЗгЮ до :j00(i, л для простейших- Цитатой -.то
f О ООО циклов. Во избежание пер ст репа Формы отливки должны выталкивать-
ся из кокилей как можно быстрее. Для ускорения охлаждения кокилей i:,i
внешней поверхности их уетраизаютси специальные иальпы дна и стром 10—
15 лги и вм:'отой 40—50 л.-п. Толщина стснс-к кокилей делается обычио
в 1.2—2 раза больше толщины стенок от.',ивок, ко не менее ‘2)1 .v.'i, Кокили
ис должны iiMCTi, острых углы) и г к1 р । 'х । >д< > ।) [щ избежание образовании
трещин.
Т.'Ж кпк осIпн1.!гмм 1 [ шугреоптелямл изложини. являются ме-
галл у])гические заводы, то большой интерес представляет изго-
товление этих отливок путем зиливки нх непосредственно из до-
менного чугуна (т;.ж называемого чугуна первой плавки). Это
приводит не только к сокращению расхода топлива г;а вторич-
ный переплав, но целесообразно также с точки зрения состава
Металла, ток как доменный чугун характеризуется высоким со-
держанием углерода и низким содержанием серы. Ряд совет-
ских исследований подтвердил техническую и экономическую
целесообразность такой организации производства — стоимость
изложниц при этом понижается на 40'^.
д) Э м а л и р о в а и п ы е отлив к и. Покрытые эмалью от-
ливки (.'бладают не только хорошим внешним ьилом, но н повы-
шенной сопротивляемостью коррозии п износу. Благодаря этим
преимуществам эмалированные отливки широко применяются
в разных областях народного хозяйства, например, для посуды,
Са1шг"рпого и нс'Шого литья. химцщч'Кого машиностроения.
Получешш торошен эмзтшрошннн’й поверхности завпепт как
от iipoHecTO эм.т'ирюваипя, так if or качсетпа отливки. Г1оэтом’.;
литой шик ..толжен получатв о тливку не только здоровой, но п г с
вы.зыв.'пощгч! брака irpij эмалыюваннн. В процессе эмалирова
ппя отлш’.ки отжш’.'ются при 700—900° в зависимости от соста-
ва эмали п принятого процесса производства.
Принципы noj>.ipienttp пысококанественных отладок
429
Во избежание образования jрсщип в эмали, необходимо та-
кое соотношение М'шду |<()э(|>цц|кч1там!1 расширения эмали
и чугуна, чтобы эмаль была nceiaa оката, а не растянута. С згой
цел i но состав эмали шщГщриетея по таблицам так, чтобы коэф и
циент рас1 fin pci hi а 'а л t; i л [ ] был "it сшиве, чем чугуна. 1 месте с тем
коэфш1нег,т ]шснш|1гш(я чугуна должен быть постоянен. Это
создает необходимость выбирать структуру, подвергающуюся
наименьшим пзхгсысниям при повторных нагревах. Поэтому
перлитная и тем более перлптно-цемептитная структуры недопус-
тимы для эмалированных отливок, так как карбиды при дли-
тельном нагревании распадаются, вызывая рост чугуна. Наибо-
лее целесообразной оказывается ферритная структура, которая
легко достигается при отжиге, При этом одновременно устра-
няются напряжения в отливках и удаляются газы, адсорбиро-
ванные на поверхности, которые в противном случае могут вы-
делиться при эмалировании и привести к браку. Режим отжцга
состоит обычно из выдержки при температуре 780—800° в тече-
ние 20—30 мин. с последующим медленным охлаждением.
Наличие перлита нежелательно также потому, что выделяю-
щийся при его распаде мелкий графит, обладая большой
поверхностью, легко взаимодействует с окисламн эмали, что при-
водит к газос'бр.з'н(жaiнцо н к браку. Нежелателен и очень круп-
ный графит, который может служить источником выделения
адсорбированного газа и брака при эма.1Ш]1оиашш-1 Ьтэтому реко-
мендуется ферритная структура с выделениями графита средней
величины. Это требование предопределяет содержание в чугуне
кремния и углерода (табл. 35).
Ввиду того, что отливки для эмалирования бывают обычно
тонкостенные, необходимо держать повышенное содержание
фосфора в чугуне. Однако слишком высокое содержание фос-
фора не может быть рекомендовано нс только из-за понижения
механических свойств, но и из-за опасения коалесценции фос-
фидных выделений при повторных нагревах, вследствие чего
происходит изменение коэфициента расширения. По этим причи-
нам содержание фосфора держится на уровне. ОД—0,6%.
Также нежелательно высокое содержание марганца, так как
'при этом увеличиваются напряжения п опасность образования
трешип в отливках, Так. при снижении содержания марганца
с <!,? до 6,4 % брак no I реши нам пл одном на наших заводов
уменьшился с 5 2 до 7,5%. По тем же сообважспням желатель-
но м ыш мильное содержание серы ( г:ол. 35).
При Цр'Шзводетш.’ эмнлпрошшпо! о литья особенно важкч со-
хранение р ;i в по п! г р । ю й толщины отлш'Ки. В противном елуч.че
затрудняется обжиг при эмалированпп oijhibok с разной! толиш-
1Кш стенок [!. следовательно, с разным режимом охлаждения
430
Отливки из чугуна
и усадки. Кроме того, возникает опасность коробления разностей
ИЫХ' оТдЩЮк. Отливки не должны иметь также острых углы-.,
иначе, благодари силам поверхностного натяжения, эмаль со-
бирается па плоских гранях и может обиаюшта поверхность чу-
гуна на вершинах утло;;. Поэтому рекомендуется нс допускать
радиусы закругления менее 5 лкн. Так как норокн эмалировании
обнаруживаются легче исего па больших плоских поверхностях,
то их следует избегать пли, в крайнем случае, пересекать деко-
ративными выступами,
При плавке чугуна необходимо принимать меры к макси-
мальному уменьшению газосодержанпя в металле, в особенно-
сти водорода. Газы, выделяясь из твердого чугуна во время об-
жига, образуют пузыри («отдулины») между металлом
и эмалью. По этой причине, как указывает Л. А. Горшков, сле-
дует избегать применения чушкового чугуна, отлитого в метал-
лические мульды, так как он содержит больше газов, чем чугун,
отлитый в песочные формы.
Лля облегчения приставания эмали рекомендуется придавать
поверхности отливок небольшую шероховатость. Это может
быть достигнуто путем применения крупнозернистого песка. По
гой же причине нс следует зачищать отливки клжд.-ншымп Кру-
гами. Поэтому шпатели должны удаляться без остатков.
Недопустимо наличие па иовсрхиостп отливки неметалличе-
ских включений, отбеленных мест и углистых п органических
включешш, с.1Ста|Чи(ихсл от каменноугольной пыли и от связую-
щих добавок стержневых смесей. Последние могут реагировать
с окнедами эмали и вызывать образование газов и брак отли-
вок. Такой же брак может получиться в результате загрязнений
поверхности отливки маслом или жиром, например, при захва-
тывании отливки грязными руками. Поэтому необходимо под-
вергать отливки тщательной очистке, которая лучше всего мо-
жет быть осуществлена при помощи чугунной дроби. Очистка
должна быть произведена непосредственно перед эмалирова-
нием, в противном случае поверхность ее успеет снова покрыть-
ся слоем окислов.
е) Отжигательные гор ш к и. В качестве примера от-
ливок- из простого белого чугуна могут служить отжигательные
горшки. Они применяются при пемситашш стали и при отжиге
го чугуна. Габариты их колеблются от 300 >< 300 до
101'0 Юб'З м.и. Для (iiHiiJiiTiiiiii iix жаростойкости И сопротпш
дешш росту их отлишшгг Time всего и,; белого чугуна (табл. 35).
ф|'.рМ(ШШ1 -лих ОТЛНГОК ИрОП'.ИЮДИТСИ в (шоках пли в почве.
Ушгнм-;ш1 литейные croiiete,а белого чугуна, необходимо особен''
sniiMdiiM' уделить набивке и вентиляции болвана во нзбежашь'
кипа и oi'ipaaonaiuifi трещин.
Принципа получения высококачественных отливок
431
2. ОТЛИВКИ ИЗ ЛЕГИРОВАННОГО ЧУГУНА
К легированному чугуну можно условно отнесли чугун, со-
держащий элемент ы в следующих количествах:
Г'. V, "йi Ю, Hi , <, Д| М,( si
><й>% >('Л% >‘2Д'% >4Л%
В зависимости от степени легпроваиности чугун, как и сталь,
можно разделить на низколегированный (до 3% легирующих
элементов), срсдпелегированный (от 3 до 10%) и высоколеги-
рованный (свыше 10%), Эта классификация соответствует
структуре и назначению отливок.
Низколегированный чугун является в основном конструк-
ционным материалом. Он характеризуется перлитной (сорбит-
ной) иди игольчатой структурой, Легирующие элементы приме-
няются в этом случае, главным образом, с целью повышения
механических свойств чугуна. Среднелегцроваиный чугун харак-
теризуется обычно мартенситной структурой и применяется,
большей частью, как износоупорнып материал в условиях воз-
действия нормальной и повышенных температур. Наконец, высо-
колегированный чугун содержит свыше 10% легирующих эле-
ментов и х;фактсризустся, в бтскаштстве случаев, первичной
ферритшш пли аустенитной кристаллизацией без последующих
превр;:ицчшп. 7'акие силаны применяются ужо только как анти-
коррозионные, жаростойкие, пемагнипило пли как силаны с с>со
бы.ми цшэичепшмп егюштвш.ш.
Получение легированного чугуна производится путем присад-
ки соответствующих ферросплавов пли прпроднолетированного
чугуна. Последили способ имеет особое значение при получе-
нии низколегированного чугуна и широко применяется в наших
литейных.
В зависимости от содержания преобладающего по количест-
ву и влиянию элемента, легированный чугун можно разделить
на никелевый, хромовый, молибденовый, медистый, кремнистый,
марганцевый ц т. д. Все эти чугуны применяются как копструк-
Щ'он-иыс, росто- п жаростойкие, коппюзпестопкпе, антифрикци-
онные. в немагнитные.
а) Н п к с л е в ы й ч у г у и. Стругтурпые состапляюшие,
а следовательно, п свойства никелсрого чугуна весьма разнообраз-
ны. Изменение структуры чугуна с введешк’м никеля происхо-
ди? тем шгтсисиснес, чем меньше сош’рж/ишг. элементов, су-
Жшшпнх области Г'с-8 (Si, ЛП, и болыпе <л cueinoi hi г:
Эд С не г Гн HI. КОТ'о|Н,1|.\ Подобно ((((Ki'.'ilii, рИГШИрШОТ эту ООЛШ'ТЬ
(С, Мн, Сп). Поэтому для получения определенной структуры
В ОТ,’!ПВ1,е Приходится коорднпиршнггь СОДСрЛШППС (ШКОЛЯ
с другими элементами п в особенности с кремнием. 15 ебшемслу-
432
Отливки из vttfifita
час можно отметить, что чем больше содержание никеля, тем
цч<тюрещ.ш структура основной массы чугуна, как это видно ;н
ойушликованмой в литературе структурной диаграммы для ив-
линдрпчегких брусков диаметром 30 лмг (приведенная толщина
R - = 7,5 мм), отлитых в сухие формы (рис. 271).
Накепь % Никель, у0
Pile. L'/'i. <’.труиrypinia Д|1,чг|Г|МЧгЧ пнкогыкит) чугуна;
*1* — 41 г ।11>iet: H -_ гч'Тынт. Il — щ-чл:.‘i-it’jA тп iqh иг: M - мпп г<'яс|‘т;
Л - • Ove)virpг; Ц — ц|’мг.'тгтиг; Г - in.pbsrr; г •— 1Лп0ули1>-
)tiHi7 ctxi4ni[
В зависимости от содержания углерода, кремния и никеля
структура чугуна представляет продукт высокотемпературного
(перлит, сорбит) или низкотемпературного (игольчатый троос-
тит, мартенсит) распада. Из диаграммы видно, что с повыше-
нием содержания углерода и никеля и с уменьшением содержа-
ния кремния постепенно увеличивается количество продуктов
низкотемпературного распада. При достаточно же большом со-
держании никеля критическая точка тфеврашення так сильно
понижается, что распада -[-раствора вовсе не происходит,
и структура получается аустенитной. Однако чисто никелевый
чугун применяется сравнительно редко. Это объясняется не
только дороговизной н дефицитностью никеля, ио в тем, что
присадка его повышает механические и физические свойства не
в столь сильной степени, как в комбинации с другими элемен-
тами
1 ре ) и у в кач<ч‘гвс н п з к о л е г и р о в п п н о г о чугун;, наи-
большее применение получи.-, Ni - (’г чугун с oTnofiicimeM Ni
С.г — I (чаше всего ближе к нижнему пределу). Этот чу-
гун применяетсн для получения отлшшк с высокими механиче-
скими свойствами, термически обрабатываемых, стойких против
Принципы получения высококачественных отливок
433
роста, износа и действия некоторых слабых реагентов (щело-
чей) .
Как прочный п изпосоувлрнын материал Ni—Ст чугун нахо-
дит применение в аЩи^щкторострощщи, дизелсстроепин и стан-
костроении. Так, например, совротиплсиие износу и срок елуж'-
бы блок-ивлиндроп а1 !ггс>хгп6г!,.тг.'и повышаются в '2—3 раза при
’ отливке их из легированного Ni—Сг чугуна. Такой чугун может
быть также использован для изготовления штампов и других
- отливок,
i С,% Si.% Мп,% р.°4 S.% Ст.%
f Тормозные
.V ! барабаны 3,1-3,4 2,0-2,3 0,5-0,8 0,1—0,3 0,1—0.12 0,2—9,4 0,2-0,
* Бяок-ци-тнн-
I нры 3,1—3,4 1,8—2,2 0,5—0,8 0,1—0,3 0,1—0,12 0,3—1,5 0,3—0,7
I Ill гампы хо-
ПОЛНОГО
I’ прсссования’2,8-3,2 1,2—1,8 0,7-0.9 0,1—0,2 0,1-0,12 0,5—1,75 0,3-0,5
Среднелегировапнын чисто никелевый чугун также имеет
ограниченное применение. Чугун
применяется иногда Для Ще-
лочеупорных отливок (содо-
вых котлов), а также в тех
случаях, когда требуется мар-
тенситная структура для по-
вышения пзносоунориостп ПЛИ
электросопротивления (конт-
роллеры).
Срсднслегнрованпый нике-
левый чугун применяется для
цилиндров с воздушным охла-
ждением (рис. 275). Чугун в
• этом случае должен отличать-
ся большой прочностью и вы-
сокой жидкотекучестью, Пос-
ледняя необходима для запол-
нения ребер охлаждения, име-
ющих толигнну 1,5—2,0 мм.
Одновременно отливки дол ж-
ны обладать большой нзносо-
упорпостью и малой склон-
ностыо к образованию трещин,
чему способствует высокое со-
держание никеля. Иоотому применяют чугун состава 2.8% С,
2,0% Si, I 0 Мп. 0,6% Р, 4.0iyii Ni. Заливка цилиндров гл-дстсч
При высокой температуре (около 140%). причем для полу11е(шн
плотных отливок устанавливаются боковые прибыли. Перед ме-
28 Зак. 805
с содержанием z—оу0 ш
Рис, 275. Общий вид цилиндра
ИЗ Нинi; о iivi'viiu с Сипы-
LlblMil прибылями
I V
434
Отливки из чугуна
ханпчсской обработкой отливки подвергаются низкотемператур-
ному отжигу при 550° для понижения изсрдости до 300 пв.
В больщем масштабе применяется средислегированпый Ni-
Сг чугун, В основном он подвергается термической обработке,
чему благоприятствует известная из практики п литературы вы-
сокая прокаливаемость этого чугуна (рис. 276j. При этом снача-
------нв ---------
Рис. 276. Свойства и сравнительная прокаливаемость про-
стого, никелевого и хромоникелевого чугунов (закалка
в масле при температуре на 10° выше критической):
с % S % Мт. % Ki, % Сг,%
г — 3.37 0(9 0 50 — —-
3 13 1.02 0 79 3.89
3 — 3,37 1,47 0,52 3,46 G56
ла применяется смягчающий отжиг при 550° для возможности
механической обработки, а затем уже закалка при 850°, Наи-
лучшее сочетание прочности и твердости получается при после-
дующем отпуске при температуре 300—350°.
Такая термическая обработка применяется для гильз ци-
линдров тракторов, двигателей дизеля и локомотивов, деталей
металлорежущих станков, штампов, и т. д. и обеспечивает иног-
да втрое большее сопротивление износу и срок службы, чем при
простом чугуне,
Штампы для холодной и даже горячен штамповкц также из-
готовляют пз Ni—Сг чугуна после соответствующей термической
обработки. Такне штампы применяются для изготовления крыль-
ев кузова, тормозных барабанов автомобиля, а также для штам-
повки деталей сельскохозяйственных машин (зубья культивато-
ров, лезвия экскаваторов, стержни лемехов, режущие части плу-
Принципы получения высококачественных отливок
435
гов а т. д,), Штампы обладают большой твердостью, проч-
ностью, мелкозернистой структурой, хорошо принимают шли-
фовку и дают чистую поверхность на штампуемом металле, вы-
стаивая около J0 000 штамповок. Составы Ni—Сг чугунных
штампов выбираются в зависимости от условий службы и со-
держат 2.7—3,37а С, 0,5—( 5% Si, 2—4% Ni и 0,5—!% Сг
Если требуется большая твердость, содержание углерода повы-
шается до верхнего предела. Если же необходима большая проч-
ность, содержание углерода соответственно снижается. Термиче-
ская обработка заключается в закалке в масле с 850—870°
с последующим отпуском при 250—500°, после чего твердость
составляет 300—400 /7в.
Высоколегированный никелевый чугун принад-
лежит уже к аустенитному классу и характеризуется жаростой-
костью, большим сопротивлением коррозии и износу. Сюда от-
носятся Ni — Си— Сг и Ni — Si—Сг чугуны. Составы этих чу-
гунов колеблются в следующих пределах;
С.% Si.% М».% Р.% S.% Xi % Cu.% Сг,%
Ni—Си—Сг 4VFVH2,3—3,1 1,5— 2,п 0,7—1,5 до 0,3 до 0,12 12—20 5—« 2—5
Ni— Si — Сг чугун ),В—2,0 5-J 0,3 1,0 „ „ 18—20 - 3
Ni—Си—Сг чугун применяется, главным образом, как корро-
зиостойкий, a Ni—Si—Сг чугун — как жаростойкий материал.
Структуры их состоят из аустенита, графита, а иногда и карби-
дов (рис. 277), количество которых зависит от содержания хро-
ма в чугуне. I-следствие соответствующего влияния кремния
аустенит Ni—Si—Сг чугуна оказывается менее устойчивым, чем
аустенит Ni—Си—Сг чугуна, Антикоррозионные свойства Ni—
Си-—Сг чугуна весьма высоки и характеризуются, согласно ли-
тературных! данным, рис. 278.
Ni—Си—Сг чугун стоек в серной и уксусной кислотах, каустической
соде, морской воде и ряде солей и щелочей, менее стоек в соляной и сов-
сем яе стоек в азотной кислоте. С увеличением содержания хрома в чу-
гуне сопротивление его коррозии повышается, однако обрабатываемость
ухудшается. Поэтому с повышением содержания хрома необходимо угеличи-
вать содержание никеля, чтобы воспрепятствовать образованию карбидов.
С увеличением толщины стенок отливок также необходимо повышать содер-
жание никеля, чтобы избежать превращения аустенита и образования мар-
тенсита в структуре.
Для повышения стойкости Ni — Си — Сг чугуна в соляной кислоте реко-
мендуется добавка молибдена, а но некоторым данным и сурьмы:
S'., %. ............. о О,RS I.U |Л 2.70 283
Пшеги в IS-ku HCl, г,ж>чаг‘ 1,3! 0,5.1 0.13 0,35 0Д2 о,:1н
При воздействии серной кислоты okhtwiwictch полезным увеличение коп-
tieHTpauiMi меди до 15%, В других условиях медь, наоборот, может быть
1 Для увеличении устойчивости карбидов прп горячей штамповке целе-
сообразно более высокое содержание хрома.
28*
436
Отливка из чугуна
вредной, например вследствие воздействия на пищу (в металлической посуде)
или из-за окрашивания щелочей (в химической аппаратуре). В этих слу-
чаях мель заменяется никелем и для соответствующих отливок применяют
чисто никелевый чугун.
Вследствие высокой химической стойкости Ni-Cn-Cr чугун может
применяться в химической промышленности, в красильных, солсочкстных.
ЖИропых. пищевых, щелоч но-отбеливающих производствах для изготовления
Деталей насосов, реторт, котлов, трубопроводов, сосудов, вентилей н пр.
Рис. 277. Структуры высоколегированного никелевого чугупа (Х200);
« —Лг —Сц—Сг чугун; -6—Ni—Si—Сг чугун,
Жаростойкость Ni — Си—Сг чугупа сравнительно высока
и до температуры 850° он хорошо противостоит окислительному
действию газов всякого рода, за исключением восстановитель-
ной сернистой атмосферы.
Точно так же и рост Ni — Си — Сг чугуна значительно мень-
ше, чем простого и даже высококачественного чугуна. Напри-
мер, после 10-кратного нагрева по 10 час, при 850° получены
следующие данные:
Простой Высококачественный „
чугун чугун bi—Са^Сг чугун
Объемный рост, % 7,0 3,0 0,40—0,50
Ni—Си — Сг чугун характеризуется высокими показателями
прочности п пластичности:
'ь К °* /зОО //в
кг/ > л’ % кг/мм* ММ • кг/мм*
15—35 0,5-3 27-52 4-8 12(1—170
Принципы получения высококачественных отливок
437
При этом прочность возрастает с увеличением содержания
хрома, как это видно нз литературных данных, представленных
иа рис. 279,
При повышении температуры прочность Ni—Си—Сг чугуна,
конечно, понижается, но не изменяется резко при длительной
выдержке, вследствие чего
этот чугун, согласно прове-
денным исследованиям, ха-
рактеризуется большим со-
противлением ползучести
(рис, 280),
' Жаростойкость и жаропроч-
ность, а также сопротивление
росту Nr — Си — Сг чугуна дела-
ют возможным его применение
в коксовом, газовом, металлур-
гическом и энергетическом произ-
водствах для изготовления дета-
лей печной арматуры, форм для
Стекла, котлов для расплавления
Металлов, деталей паровых ма-
донн и турбин, пароперегревате-
лей головок, втулок цилиндров
25 50 75 ИЗО 25 50 75 tuQ
Концентрация кислатй^ %
Рис. 278, Сравнительная коррозионная
стойкость простого никелевого и аысо-
кохромоиого чугунов:
1 — просив чугун; 2 — аустенитннА N!—Си—
С г чугун; 3 — вис оке.хром ouijS чугун
а сочетании с алюминиевыми поршнями
пр. ।
Вследствие большого коэфинн-
(«нта расширения 18. 10"®), а
также благодаря высокой изпосо-
тпоопости, хорошо эарекомеидо-
Иали себя цилиндровые втулки из
iJ4i — Си — Сг чугуна, работающие
(опыт ГАЗ им. Молотова).
Рис. 279, Влияние содержания хром:, на механические свойства
Ni—Си—Сг чугупа
438
Отливки из чугуна
Наконец, благодаря немагнитности 1,03—1.03 гаусс/эрстед) и боль-
шому электросопротивлению \р — 125— 140*1 — гд) этот ЧуГуц может приме-
няться также в электропромышленности как заменитель бронзы, латуни
н других металлов, от которых требуется малая магнитная проницаемость
и малые потери на токи Фуко.
С точки зрения литейных свойств Ni—Си—С г чугун характе-
ризуется хорошей жидкотекучестью. Литейная усадка его боль-
ше обычной (около 1,5—2,0%), что связано с большим коэфн-
оделтом расширения. Это обстоятельство в сочетании с низкой
Рис. 280, Ростостой кость « сопротивление ползучести некоторых высоко-
легированных сортов чугуна
скорос/пи вгпрормциа. we
теплопроводностью (). = 0,08 калием сек °C), характерной для
сплавов аустенитного класса, заставляет опасаться развития на-
пряжений в отливках. Однако высокая пластичность этого чу-
гуна в значительной мере предохраняет отливки от образова-
ния третий.
Усадка Ni — Си — Сг чугуна во время затвердевания (е 3)
и склонность к образованию усадочных раковин весьма велики.
Поэтому требуется особое внимание к подводу металла, литни-
ковым системам и расположению прибылей. Методы питания
отливок применяются в обшем по тому же принципу, что и для
фасонного стального литья (рис. 281).
Наилучшне результаты получаются при сочетании холодильников, распо-
лагаемых в нижних частях формы, с прибылями, естаиавливаемымн на мас-
сивных сечениях в верхних частях формы, что обеспечивает направленное
затвердезднпе отливки. С повышением содержания хрома требуется более
полное и тщательное питание вследствие большего торможения графити-
зации.
Формовка отливок из N1 —Си —Сг чугуна производится как по-сухлму.
так и по-сырому, причем заливка ведется сравнительно быстро при темпе
ратуре 130Р—I35D0. Рекомендуется быстрое освобождение залитой ot.tiiukh
из формы с дальнейшим охлаждением се на воздухе для предотвращения
возможного превращения аустенита-
В некоторых случаях, например при высоком содержании хрома в чугуне,
Принципы получения высококачественных отливок
439
отливки подвергаются отжигу для облегчения обрабатываемости. Отжиг ве-
дется при температуре 850° в течение 1 часа с последующим охлаждением
в печи. или. лучше, на воздухе. Отжигом достигается распад или сфероидп-
ваиня карбидов, вследствие чего пластичность и обрабатываемость металла
возрастает. Обрубка и очистка отливок осуществляются обычным путем.
Особо следует отмстить хорошую свариваемость Ni — Си — Сг чугуна
вследствие пластичности и отсутствия превращений в сплаве. Поэтому ок
полезен так же, как присадочный материал и материал электродов при за-
варке отливок из простого чугуна. При этом получается хорошая обраблты-
Рис. 281. Методы подвода металла и установки прибылей на отливках
из Ni—Си—Сг чугуна
Ваемость мест сварки, причем благодаря пластичности чугуна трещины не
Образуются, Кроме того, место сварки можно уплотнить молотком (нагарто-
вать и наклепать}.
Ni—-Si—Сг чугун во многом сходен с Ni-—Си—Сг чугуном.
Благодаря повышенному содержании? кремния чугун этот еше
более жаростоек. Наличие же хрома обусловливает его преи-
мущества перед силалом (чугун с содержанием 5—6% Si):
M—En—Cr Xt-Si—Cr
чугун СИЛ5Л чугуи
Температура применения, °G 850 900 0,54
440
Отливки из чугуна
Поэтому —Si—Сг может применяться для деталей печной
арматуры, кол ос; о; ков, рам и дверец коксовых печей и т. д„
тем более, что Ni—Si — Сг чугун обладает сравнительно высо-
кими механическими свойствами:
аь, кг/мм* кг/мм* f^0, мм Нд, кг/мм*
15-35 1—4,5 33-60 17—34 110-170
Сопротивление ползучести Ni—Si—Сг чугуна достаточно высоко (рис.280).
Он характеризуется также высокой коррозионной стойкостью в разных
средах, особенно в серной кислоте при содержании 4—6% Сг в чугуне.
Магнитная проницаемость Ni—Si—Сг чугуна цх = I— 1,4 гауес/эрстед)
несколько больше, чем Ni—Си—Сг чугуна. Его электросопротивление
(р = 16СрУ ели), коэфициент расширения (а=18>10“6) и теплопроводность
(А = 0,07 кал!см сек ° С,) примерно такие же, как у Ni—Си—Сг чугуна,
Технология формы, конструкция литкнков и питание отливок практически
те же, что и при производстве Ni—Си—Сг чугуна.
Несмотря на то, что Ni—Си—Сг и Ni—Si—Сг чугуны отли-
чаются некоторыми ценными свойствами, они имеют у нас ог-
раниченное применение вследствие высокой стоимости и боль-
шого содержания дефицитного никеля. Советские литейщики в
большинстве случаев обеспечивают необходимые в отливках
свойства с помощью других элементов — более дешевых и ме-
нее дефинитных.
б) Хромовый чугун. Хромовый чугун, в котором един-
ственным пли преобладающим легирующим элементом является
хром, имеет широкое распространение,
Наиболее употребителен низколегированный хромо-
никелевый чугун, получающийся на базе наших природнолеги-
рованпых чугунов, с отношением Ni : Сг от 0,3 до 1,0.
Исследования и практика наших заводов показали ряд пре-
имуществ природнолегированного чугуна. Благодаря работам
С. С. Некрытого, Л. И, Гольденберга и др., природнолегировац-
ный чугун стал широко применяться в авто-тракторостроении,
станкостроении, а также в производстве жаростойкого, щелоче-
упорного и антифрикционного чугунов, где требуются повышен-
ные механические и физические свойства деталей.
В авто-тракторостросиин прпроднолегироеаннын чугун применяется для
изготовления блок-иплиндров. поршней, шестерен н других отливок с целые
улучшенья механических стонете, обеспечения однородности структуры
и увеличения плотности и илпосоупорногти, Последнее особенно важно для
поршней if блок-иплиндров, работающих на износ в условиях высоких да-
влений. понышсиных температур п вредных газов. Так, например, легнро-
В.11ГШ.1С блоки нл одной мьшиие потребовали перешлифовки цилиндров после
пробега п ЮО тыс. км, тогда как блоки, отлитые из простого чугунш пока-
зали тот же inline после пробега в ?5 тыс. км. При этом значительно улуч-
шилась токже однородность структуры и не ухудшилась обрабатываемость
чугуна, несмотря на повышение его твердости.
Принципы получения высококачественных отливок
44Т
. Применение ирнродяолегироэзнного чугуна в станкостроении повышает
мзиоеоупориость направляющих, обеспечивает удлинение амортизационных,
сроков и возможность' работы с большими скоростями резания. При этом
введение хрома путем применения природнолегированного чугуна приводит
К более интенсивному повышению износоупорпости, чем яри других способах
дотирования. Это объясняется большей однородностью структуры получае-
мого чугуна и наличием в нем, кроме хрома и никеля, небольших количеств
Других легирующих элементов (V, Ti),
Уже при присадке |0% природнолегированного чугуна во многих слу-
:<ваях улучшаются свойства и уменьшается брак отливок. Например, при
производстве цилиндров аммиачных компрессоров брак в одной литейной
Достигал 60% вследствие низкой твердости, несоответствия структуры тех-
ническим условиям и образования газовых раковин и пористости. Присадка
В шихту 10% природнолегированного чугуна повысила твердость с 140—160
;до 188—200 Ни, Структура получилась перлитной с небольшим количеством,
феррита и равномерным распределением графита — брак резко снизился.
Применение природнолегнрованного чугуна для жаростойких отливок
:(например для отжигательных горшков) увеличивает срок службы их
В 2—3 р<аза при незначительном изменении себестоимости. Щелочеупорные-
дзделия (содовые котлы, реторты), отлитые с присадкой 35—50% природно-
легированного чугуна, показывают сопротивление коррозии а 5 раз большее,
чем при обычном или даже искусственно легированном чугуне,
Опыт наших заводов показывает, что особенно благоприят-
ъге результаты получаются при сочетании различных природио-
гегироваипых чугунов. Поэтому бюро «Чугунлегнр» дает, напри-
мер, следующие рекомендации по составу и шихтовке чугуна
Для станочных отливок:
Тплшича
Класс Степан
СЧ 25-48 >30
СЧ 24-44 15—30
СЧ 21-40 <15
С,% Sl,% Р.%
2,Я—3,0 1,0-1,4 До 0,2
2,9- 3.1 1,2-1,5 До 0,25
3,0-3,2 1.4-1.8 До 0,30
Сг.% К!,%
0,25-0 50 До 0,3
0.25 - 0.50 До 0,3
0,20 -0,40 До О.З
Присядка чугумон. Ч
Халилов- слизапе-
ский тяиский:
8 —12 10
Б —10 10
5—8 10
Во всех случаях содержание хрома в низколегированном чу-
'Гуне не превосходит 0,8% и тем ниже, чем меньше толщина
стенок отливки,
Кроме низколегированного хромового чугуна применяется
еще высоколегированный 1 чугун с содержанием около
30% Сг, известный под названием хромэкс и впервые изу-
ченный в СССР,
ГОСТ 2176—43 предусматривает две марки этого сплава:
Х-28
Х-34
С,% Сг.% 5i.% Мп,% Р.% s.%
0 5-1 0 20-36 0,5-1,3 0,5—«.Я Ду 0,1 До 0.(’8
1*5—2,2 32—36 1,3—1,7 0.3—<3,8 До 0,1 До >',10
Эти марки принадлежат к сплавам ферритного класса с эв-
тектическим превращением (рис. 282 и 283). Первая марки (Х-28}
• Среднелегиоованкый хромовый чугун имеет малое применение вслед-
ствие плохой обрабатываемости.
442
Отливки из чугуна
рассматривается как ледебуритная сталь, и ее свойства описы-
ваются в курсе «Стальное литье». Вторая марка (Х-34),
Углерад, °/а Крепкий, %_
Рис. 282. Структурная диаграмма Fe—С—Сг сплавов и положение
в пей высокохронового чугуна типа хрсмэкс
характеризующаяся более высоким содержанием углерода и хро-
ма, является типичным чугуном (содержание углерода в эвтек-
тике при 34% Сг составляет 2,4%). 1} зависимости от содер-
жания углерода чугун этот может быть доэвтектическим, эвтек-
тическим или заэвгектичсским (рис. 283). Пащ ГОСТ рекомен-
дует применение только доэвтектического чугуна, который легче
обрабатывается и требует меньщего содержания хрома.
Высокохромовый чугун обладает относительно большой проч-
ностыо, НИЗКОЙ пластичностью и сравнительно высокой твер-
ДОСТЬЮ, которая возрастает с увеличением содержания углеро-
да с,% % /«, кг/ -’м? .гл 1,1 51,3 5,1 2,3 51,4 5,9 3,1 52,6 5,8 Согласно исследованиям Е, Нв кг< кг/им* 89.2 2i« 41,3 3’0 46. з 330 И. Литвиновой, модифицирова-
ние этого чугуна азотом (путем присадки азотистого феррохро-
ма) повышает механические свойства И',, до 80 кг/мм2), одна-
ко пластичность и вязкость остаются при этом низкими, что в
I Высокая твердость может быть использована для отливок, работаю-
щих мп износ. В свази с этим лля сопел пескоструйных аппаратов ппогча
применяют тпкон чугун е содержанием 3—4% С, так что твердость
сплава доходит до 500—600 !!я.
Принципы получения высококачественных отливок
443
значительной мере обусловлено наличием в структуре интергие-
таллического соединения Е'еСг ( з- фазы).
Преимущества марки Х-34 заключаются в лучшей жидкоте-
кучести и в возможности применения при плавке более дешево-
го высоко у где род и сто го феррохрома. I месте с тем она харак-
теризуется меньшей коррозионной стойкостью и худшей обраба-
тываемостью, в особенности при содержании углерода больше
Высокох ромовый чугун стоек только в окислительных средах
(азотная кислота, крепкая серная, уксусная, фосфорная, органи-
ческие кислоты), так как пассивирование его происходит засчет
образования оксидной пленки. Он стоек также в щелочах, в рас-
творах солей, в морской воде, в обычной атмосфере и в атмос-
фере сернистых газов, В восстановительных же средах высоко-
хромовый чугун легко теряет свою пассивность и разрушается
(поэтому он не стоек в соляной кислоте и в разбавленной сер-
ной ).
Еще большее значение имеет жаростойкость высокохромово-
го чугуна. Чугун с содержанием 30—35% Сг является жаростой-
ким в пределах до 1200°. Отливки из этого чугуна могут рабо-
тать при температурах 1100—1150° в течение 5000 час. При этом
Рис, 283. Структуры высокохромового чугуна:
1 — дйэнтекчниеекли (I Ji'U.'V/e Ql 3 — лааьтектц-
ческнй (3JV# С)
жаростойкость сплава, как видно из рис. 282, сравнительно мало
зависит от содержания углерода и определяется, главным об-
разом, содержанием хрома. Однако, как отмечает К. И. Вашен-
ко, при выборе состава сплава следует иметь в виду понижение
444
Отливки из ччеина
температуры ликвидуса и увеличение относительного количества
легкоплавкой эвтектики с повышением содержания углерода:
2В% Сг н 0,7% с
Температура ликвидуса, “С 14-50
Температура эвтектики, ®С 1275
3:!% сг И (,Ь%С 35%Сг и 2,0%С
14'4) 1350
1275 1275
высоких температурах
Поэтому при работе отливок при
(больше 1100°) следует отдавать предпочтение низкому содер-
жанию углерода.
Соответствующее изменение механических свойств
хромового чугуна при повышении
на рис. 284. Практические данные
высоко-
температуры представлено
показывают, что кратковре-
менная и длительная проч-
гоо w w да юоо >гоо
Гемперотурц°С
Рис. 284. Влншъ.е геми^рдгуры на ме-
ханические свойства высокохромоаого
чугуна типа хромэкс
ность чугуна практически не
изменяется до 500° и интен-
сивно падает с дальнейшим-
повышением температуры.
Пластические же свойства,
наоборот, очень резко воз-
растают с температурой,так
что удлинение достигает
100% при 1000°. При этом
сопротивление ползучести
при указанной температуре
падает до 0,2 кг/мм2, по
может быть несколько по-
вышено добавкой никеля
(1—3%) или молибдена
(до 4%).
Совокупность отмеченных свойств открывает для вЫсокохромового чугуна
широкую область применения з химической промышленности (особенно
в производстве азотной кислоты!. Этот чугун применяется для изготовления
деталей миксеров, плунжеров, насосов, трубопроводов, клапанов различных
сосудов, т е. во всех тех случаях, где требуется высокая химическая стой-
кость и где механическая прочность сплава делает это применение возмож-
ным. Как жаростойкий материал, он применяется для колосников, частей
тонок и котлов, форсунок, плавильных горшков и сопел для машин литья
под давлением, поддонов, жаростойких реторт, зажимов пароперегреватель-
пых трубок, сушильных цилиндров в бумажной промышленности и т, д.
В судостроении высокохромовый чугун может применяться для арматУПЫ
и фитингов. Как износостойкий материал против абразивного действия бы-
стро тек с тих жидкостей, содержащих весок И уголь, он применяется для
лопастей бетономешалок, насосов н пр.
Кроме того, вы сокох ромовый чугун с успехом можно применять для дета-
лей манны пищевой промыпысиностп. нагревательных электрических плит,
вентилей в клапанов в пдропрояол.чх высокого давления и в трубопроводах
для горячей нефти. Чугун этот прекрасно полируется, приобретая блестя-
щий вид. напоминающий хромированную поверхность. При травлении же
отливок поверхность получается слегка матовая.
Принципы получения высококачественных отливок
445
Рис. 285, Схема формовки
улитки насоса из высоко-
хромового чугуна
( Как нержавеющий и полирующийся материал, высоко* ромов глй чугун
.Срименяется также для художественных отливок и предметов домашнего
.обихода
г- По своим литейным свойствам высокохромовый чугун зани-
имает промежуточное положение между чугуном и сталью. [ 1е-
усмотря па срчтвннтельио высокую температуру плавления
fj« склонность к образованию оксидных пленок, он обладает удов-
летворительной жидкотекучестью и при достаточном перегреве
хорошо заполняет формы со сложными очертаниями и топкими
^стенками. Однако следует иметь в виду, что этот сплав, в осо-
бенности при низком содержании
углерода, характеризуется крупной
первичной кристаллизацией и боль-
’ той склонностью к транскристал-
..лизации, а следовательно, и к обра-
зованию горячих трещин. Этому сп о-
- собствует также большая литейная
! усадка (1,6— 1,9%). Поэтому не
1 следует применять излишне высо-
। кую температуру заливки при изго-
товлении отливок из чугуна типа
хромэкс.
Правильному конструированию
'©тливок и устранению термического
-и механического торможения усадки
^акже должно уделяться много вни-
'мания. С той
^рекомендовать широкое применение
^Холодильников—не только как спо-
соб выравнивания скоростей охла-
‘эвдения, но и как средство устране-
ния крупной кристаллизации с развитой дендритной ликва-
цией. Для размельчения первичной структуры полезно также
'модифицирование присадкой 0,1—0,3% азота, титана или танта-
.'Ла, что повышает механические свойства сплава и уменьшает
(Чшасность образования горячих трещин.
!' Высокохромовый чугун обладает большой усадкой во время
'‘затвердевания ( ), близкой по величине к усадке белого чу-
- 'гуна. Это вызывает, по данным К. И. Ващенко, необходимость
установки холодильников и прибылен по тем же принципам, что
।. и для ковкого чугуна (рис. 285).
Низкая теплопроводность (0.042 кал!см сек. °C) и высокий
; модуль упругости этого чугуна (17 000 ка/лси2) способствуют об-
! |разованию больших напряжений в отливках. Поэтому нагрев
‘ « охлаждение высокохромовых отливок Должны производиться
достаточно медленно.
же целью следует
440
Отливки из чугуна
Формовка мелких и средних отливок производится, главным образом,
по-с ы рому, крупных — по-сухому. Как для крупною, так и для мелкого
литья с.чедуит' применять синтетические формовочные смеси на кварцевых
песков и того же состава, что к для стальною фасонного литья. Сла-
ба!! огнеупорность смесей приводит к одному из характерных для эких;
липш видов брака: изъеденной поверхности отливок я сильному пригару.
В качеств противопригарного средства применяется «а^генпоугольная пыл,,.
Для сухих форм и стержней рекомендуется применение маршалитовой
краски.
Форма должна быть прошпилена, особенно на выступающих частях, ввиду
склонности чугуна размывать форму при высокой температуре заливки.
Температура заливки высокохромового чугуна (1.8—2,2% С; 34% Ст)
колеблется в пределах от 1360° для массивных отливок до 1450° для тонко-
стенных отливок.
Выбивка залитых форм производится возможно быстрее с целью предо-
хранения от образования горячих трещин. Последующее охлаждение должно
быть медленным во избежание образования холодных трещин.
Заусенцы на отливках легко удаляются зачисткой на наждачном круге.
Прибыли можно удалить режущим инструментом на станках или элекгрорез
кой при помощи угольного или железного электрода. Отсутствие структур-
ных превращений в высокохромовом чугуне позволяет легко производить
электрическую или кислородно-анетиленовую заварку. Однако нагревать
и охлаждать изделия необходимо с большой осторожностью для предупре-
ждения появления трещин вблизи сварного шва. Электроды должны быть
из топр же высокохромового силада. чтобы обеспечить коррозионную стой-
кость шва. Ввиду того, что высокохромоный чугун при температуре 800°
куется, можно производить заварку с уплотнением.
Отсутствие фазовых превращений делает невозможным при-
менение термической обработки для повышения свойств высо-
кохромового чугуна. Однако отжигом при 800—900° достигает-
ся некоторая сфероидизация и коагуляция карбидов, а также
приближение к равновесному состоянию 1, что происходит в этом
сплаве очень медленно вследствие большой диффузионной инер-
ции. Эти процессы обычно не изменяют твердости сплава, но
повышают обрабатываемость и уменьшают напряжения в отлив-
ках. Несмотря на высокую твердость (250—400 Н?), чугун с со-
держанием 32—35% Сг удовлетворительно обрабатывается, так
как основная ферритная масса его сравнительно мягка, а твер-
дые карбиды легко выкрашиваются.
Производство высокохромового чугуна, освоенное в СССР на
ряде заводов, имеет большое промышленное значение, так как
этот сплав характеризуется исключительно высокими специаль-
ными свойствами и в то же время требует для своего изготов-
ления относительно дешевого и недефицитного в наших усло-
виях феррохрома.
1 ТчШимп процессами могут быть превращения карбидов (Сг. FrbCj
-* (Сг. ГебС, а также превранн-чше остаточного аустешгтш Для понышгнФ:
одnopo.'ifKK’Tti этих сплавов пссьма важно правильное пеЛение плавки, того
шее перемешивание ванны и достаточный перегрев жидкого металла.
принципы получения высококачественны* отливок 447
в) Молибденовый, медистый, ванадиевый
и д р у г и е низколегированные ч у г у н Ь(. Все сорта чу-
гуна, в которых молибден, мод,., или ванадий играют рсмп. основ-
ных легирующих элементов, относятся к Низколегированному
или среднслегироваыюму классу и применяются как конструк-
ционные и изиосоуцориые материалы. Номенклатура изготов-
ляющихся из этих чугунов отливок достаточно разнообразна;
коленчатые и кулачковые валы, тормозные барабаны, поршне-
вые кольца, поршни, блоки цилиндров, гильзы, детали распре-
делительного устройства для паровых турбин, арматура и т. д.
Соответствующие составы колеблются в следующих преде-
лах:
С.% Si,% М".% р,% S.% Мо,% Си,% v,%
2,7—3,2 1.5-2 5 0,6-1,° М—Й,15 0,10-012 0.3_| 0 _ —
15-3,0 0,0—2’5 0,6 1,0,1-0,3 0,03—Ю 2 iq_27 —
1,о—2,7 1,8—2,5 0.6—1.0 0,1—и,2 0,10—П, 12 _ _ 0,15—0.03
Правильно комбинируя содержание углерОда и легирующих
элементов, можно обеспечить в этих чугунах предел прочности
при растяжении 45—50 кг/мм'1, причем особенно эффективно
а этом отношении действует молибден. Указанные легирующие
элементы применяются как самостоятельно, так и в комбина-
циях друг с другом или с другими элементами (Ст, Ni). При
этом следует подчеркнуть необходимость сравнительно
низкого содержания фосфора во всех этих чу-
гунах, в особенности в молибденовом. Последнее
объясняется образованием молибденом четверной эвтектики
Fe—С—Р—Мо, что уменьшает благоприятную роль молибдена,
как элемента, образующего твердые растворы с ферритом
и карбидами.
Из числа комбинированных составов особо следует отметить
Ni — Мо чугун (1,5—3,5% Ni, 0,7—0,9% Мо) с игольчатой
структурой, характеризующейся высокой прочностью, в особен’
пости после низкотемпературного отжига при 315—370° (% до
70 кг/мм2).
Характерным примером применения чугуна> легированного
молибденом медью или ванадием, могут служить кулачковые
распределительные валики и коленчатые вады. Главное требо-
вание, предъявляемое к распределительным валикам, — боль-
шое сопротивление износу поверхности кулачков. Это трсбон.нше
выполинется в производстве различными Способами: отливкой
кулачковых валиков с отбеленными кулачками путем примене-
ния холодильников, поверхностной закалко/i кулачков п. нако-
нец, отливкой валиков из легированного чугуна. Последний,
448
Отливки из чугуна
будучи залит в сырые формы, дает цементитпую структуру и со-
ответственно большую твердость на выступах кулачков и обыч
ную Перлитную структуру в других частях отливки (рис. 286),
При этом не требуется холодильников или специальной терми-
ческой обработки. Однако необходим тщательный контроль
Рис. 286, Макро- и микроструктура ку-
лачкового валика из молибденовою
чугуна:
Л — на выступая хуллчкон: б «— в uerrrpe
производства, так как неточное соблюдение состава чугуна, вла-
жности формовочных смесей и т. п. может иметь следствием
получение валиков с мягкими выступами или, наоборот, со сли-
шком твердой сердцевиной,
В качестве легированного чугуна для коленчатых валов мо-
жет применяться хромовый, хромоникелевый, молибденовый или
ванадиевый чугун. В некоторых случаях применяется медистый
чугун с содержанием углерода в пределах растворимости
в аустените и с высокими механическими свойствами, получае-
мыми после термической обработки, например:
С,% Si,% Мп,%
1,35—1,60 0.9—1.1 0,3—1.1
Р,% S,% Сг,%
0.1 0,08 0,1 5—0,30
Си,% кг!ммг Нд кг)М1>
2.0—2.Б 75 270—280
В сыром виде этот чугун очень хрупок, потому что углерод
находится в связанном состоянии. Термическая обработка за-
ключается в нагреве до 900—960° и выдержке при этой темпера-
туре в течение 20—45 мин. Затем следует интенсивное охлаж-
дение на воздухе до 650°, потом вторичный нагрев до 760—800°
Принципы получения высококачественных отливок
449
с выдержкой в течение часа. После этого отливки медленно ох-
лаждаются в печи до 540° и дальше на воздухе. После термооб-
работки получается структура зернистого перлита с мелкими
выделениями углерода отжига.
Таким образом, по существу мы имеем здесь дело с перлит-
ным ковким чугуном.
Помимо повышения изпосоулориости, предела усталости
И циклической вязкости, медь в .малоуглеродистом чугуне улучша-
ет его технологические свойства, понижает температуру плавле-
ния и повышает жидкотекучесть, так что даже при малом со-
держании углерода наблюдается удовлетворительное заполнение
формы.
Формовка коленчатых валов производится в опоках или
,в стержнях. Заливаются они как вертикально, так и горизонталь-
но. До сих пор не отдано окончательного предпочтения ни одно-
iy из этих способов,
В СССР вопросу получения чугунных коленчатых валов уде-
яегся большое внимание. Некоторые заводы уже изготовляют
1Х в производственном масштабе.
Проводятся также опыты по освоению чугунных коленчатых
>алов большого размера с применением модифицированного
гугуна с пластинчатым или глобулярным графитом и с одно-
сменным легированием.
Медистый чугун применяется также для отливок, работаю-
щих в условиях воздействия мало агрессивных сред (на воздухе,
в воде, в уксусной кислоте, в атмосфере пара, в почве и т. д.).
Днепропетровский Научво-псследовательскии трубный институт,
После.длительного исследования коррозионной стойкости чугун-
ных труб в разных средах (вода, раствор соли в воде, сернис-
тые пары), рекомендовал для этих отливок следующий состав:
С,% Si.% Мп.% Р.% S.% V1,% СгД Си,%
3,6—3,7 1,45—1.75 0,7- 0,8 До 0,25 До 0,08 0.3—0,6 0,4—0,6 0.4—0,55
Молибденовый чугун является стойким против роста и пол-
зучести и технически полезен для арматуры, работающей при по-
вышенной температуре. Однако вследствие большой дефицит-
ности молибдена применение его в чугунных отливках очень ог-
раничено и не может быть рекомендовано.
Кроме молибденового, ванадиевого и медистого чугунов при-
меняется еще титановый чугун. Титан употребляется обычно для
повышения обрабатываемости и плотности отливок. Для этой
Цели можно пользоваться специальным чугуном (клрботн та-
ном) с содержанием около 0,7% Ti. Кроме того, в качестве ан-
тифрикционного чугуна бюро «Чугунлегир» рекомендует «осо-
00 Зек* 805
450
Отливки из чцгцна
бый класс» доменного титаномед истого чугуна как самостоятель-
но, так и в комбинации с хромоникелевым чугуном:
С,% Si,% Mit.% Г.% S.% Ti,"-;, Cu.ft Or.% Ki.%
ЛоМсиныЙ Л»’ До До
чугун 4,5—5.5 1,0 1,5 0,5-0.8 035 0,02 0.7—1.3 0.8—1,5 0,3 До 0.3
На граноч- До До До
ный чугун 3.7— 4,2 1,8—2.0 0,4—0,7 0,30 0,1 ОД—0,3 До 0,4 0,35 До 0,4
Большое содержание углерода, перлитная структура основной
металлической массы и пластинчатая форма равномерно распре-
деленного графита являются причинами высоких антифрикцион-
ных свойств этого чугуна.
г) /Алюминиевый чугун. Алюминиевый низколегиро-
ванный чугун применяется сравнительно редко, главным обра-
зом для отливок, подвергаемых азотированию. Значительно
больший интерес представляет высоколегированный чугун, при-
меняющийся как жаростойкий материал.
В зависимости от состава различают три группы алюминие-
вого чугуна: до 8% А1, 8—18% Al п 18—25% Al-
Первая группа имеет феррито-графитную структуру, хорошо
обрабатывается, но может применяться только для сравнительно
небольших температур (до 700°). Однако при соответствующем
комбинировании с хромом и кремнием чугун становится жаро-
стойким в пределах до 900°. Для этой цели рекомендуются сле-
дующие составы:
С.% S;.% М,% Сг,%
2,5-2.7 1,0-2,0 7,0-9,0 До 3,5
1.8—2,5 5,0—6,0 6,0—7,0 —
При этом кремний держат либо на низком уровне (1—2%),
либо, наоборот, в пределах, характерных для силала (5—6%).
Вторая группа отличается большей жаростойкостью, но
вследствие торможения графитизации и образования твердой
и хрупкой белой составляющей чугун этот плохо обрабатывается,
В большинстве случаев алюминий при этом применяется в ком-
бинации с другими элементами:
с,% 81,% А1,% Сг.% К|,% Си,%
2,2—2 4 До 1,0 8—12 5-6 До 4 До 2
1,5—2,5 1.0 10—14 4-8 , 4 „ 4
0,8—2,0 8,° 7-15 10-20 ,, 18 „ 3
Наибольший интерес представляет третья группа, характс
рнзуюшаяся феррито-графитной структурой (рис. 287) и удов-
летворительной обрабатываемостью. Состав этого чугуна, впер-
Принципы получения высококачественных отливок
454
( вые предложенного в СССР под названием ч у г а л ь, колеб-
[• лется в следующих пределах?
I С. <Н Si,'!,;, Ml!,% s, % м.%
| 1,2-2.0 1.3-2,0 0,6-0.8 0,01-0,(’3 2<’-21
1Л Высокая жаростойкость даст возможность рекомендовать этот
Е чугун для отливок, работающих при высоких температурах
Ш (до 950°), например
I, для печной арматуры
щ (подовые плиты, бал-
[ КИ, ролики, КОЛОСНИ-
L ни), котельных устапо-
L вок (подвески паропе-
f .регревателен), частей
Г,машин для литья под
к1давлением (котлы,
I прессформы) и т. д.
| Однако механические
tсвойства его низки и
И.прп нормальной темпе-
г ратуре составляют,- а* '-
Е— 1| —17 кг/мм2, з'
й^=20—25 кг/мм2, Н в=
К':=170—200 кг/мм2.
К'1 Вместе с тем пони-
Рис. 287, Структура высоколегирован лого
Жжение прочности при алюминиевого чугуна
И .повышении температу-
З',::ры происходит, как показали В. И. Смирнов и Г. Н. Наровиц-
/ кая, значительно медленнее, чем в простом чугуне;
Температура. °C ... .
Предел прочности
кг/ им1:
простой чугун . . . .
чугаль (23% А1) . . .
20 200 400
31,1 43,3 37,8
22,6 27,0 26,6
600 800 900
30,4 13,4 8 8
23,0 19,0 1S.3
Поэтому прочность чугаля при высоких температурах стано-
вится выше, чем прочность простого чугуна, причем под влия-
нием длительных выдержек при рабочих температурах проч-
ность не только не снижается, ио даже повышается, что объяс-
няется явлениями дисперсионного твердения (выделение FeAlj
из пересыщенного феррита).
Удельный вес чугаля меньше, чем простого чугуна (</ =
--5,5—6,0 г/см3). Средний коэфициент линейного расширения
значительно выше обычного (в=20- 10“6), несмотря на фер-
ритную структуру,
29*
4.э2
Отливки из чугуна
Характеризуя литейные свойства алюминиевого чугуна, сле-
дует отметить, что его невысокая температура плавления и удо-
влетворительная жидкотекучесть позволяют применять сравни-
тельно небольшие температуры заливки (~ 13(10°) и заполнять
тонкостенные формы. Большая же усадка (1,4 -1,8%) обуслов-
ливает необходимость применения формовочных и стержневых
смесей с достаточной податливостью.
Некоторые особенности предела мяст приготовление сплава. Чугун обыч-
ного состава выплавляют в вагранке. Алюминий расплавляют в тигле, бара-
банной печи или электропечи и выливают в ковш. При этом в ковш с алю-
минием следует вводить небольшое количество хлористого цинка, пары
которого предохраняют металл от соприкосновения с воздухом и большого
угара (угар алюминия все же достигает 20—30%). К перегретому до Ю00л
алюминию добавляют жидкий чугун. При этом происходит интенсивное
выделение шлака и спели (содержание углерода в сплаве уменьшается)
и температура, вследствие экзотермических реакций, поднимается до 1380—
1400°. После добавки чугуна необходимо произвести перемешивание метал-
ла и снятие шлака. По охлаждении сплава до 1300° можно начинать
заливку.
При изготовлении форм следует учитывать большое количе-
ство шлака, спели л пены, выделяющихся из металла. Для
удержания этих включений рекомендуется применение наклон-
ных и щелевых стояков и установка шла кош I ков. Заливка дол-
жна производиться быстро, но спокойно, без завихрений. Ввиду
опасности восстановления паров воды алюминием и насыщения
металла водородом формовку производят no-сухому .
д) Кремнистый чугун. Влияние кремния па структуру
чугуна определяется соответствующим перемещением критиче-
ских точек вверх и влево, сужением области у-раствора и сти-
мулированием процесса графитизации. При достаточно высоком
содержании кремния из жидкого раствора непосредственно
кристаллизуется кремнистый феррит без последующего превра-
щения (рис. 288).
благодаря низкому содержанию углерода и высокой кон-
центрации кремния в феррите, кремнистый чугун характеризует-
ся большим сопротивлением росту и коррозии. Поэтому средне-
легированный и высоколегированный кремнистые чугуны
применяются, как ростостойкие (силал) и коррозпостойкие (фер-
росилид, антихлор);
С.% Si.-. Мп.% Р.% S, ". Ml,%
Силач. . . 2.4—2,6 5,0—6,0 0,3—0.8 0.05 ДоО,08 —
ф^РР.о™л,1М С-15 0.5-0,8 J4.fi—16,0 0.3-0,8 До 0 01 До О 07 —
2283-43) I С-17 0,3-0,5 16,0-18,0 0,3—0,8 До0,01 До0,07
Антихлор . 0,5-0,8 14,5—16.0 0,3—0,4 До 0,01 До 0,07 3,5—4,0
Ростостойкость и сопротивление ползучести с и л а л я
(рис. 280) определяется его ферритной структурой, днсперс-
Принципы получения высококачественных отливок
453
II'
ностью выделений графита и сравнительно высоким расположе-
нием критической точки. Эти свойства дают возможность, со-
гласно практическим и литературным данным, применять снлал
для ряда отливок, работающих при температурах до 800 - 900°,
г
ih
Я'
L'
Рис. 288. Диаграммы состояния Fe—С—Si сплавов при
высоком содержании кремния;
а — стабильная система; б — ыетастзСильная система
:ак например; колосники, арматура для печей и т. д. (рис. 289'j.
1осле трех лет службы колосники из силала оказываются
удовлетворительными, в то время как колосники из простого
; Чугуна приходят в полную негодность уже после двух лет рабо-
ты. Поэтому снлал с успехом применяется также для отливки
т секций игольчатых воздухонагревателей, тем более, что относи-
,!' Тельная стоимость его, как показало А. Д. Попов и Э. М. Бланк,
невелика:
Серый чугун Хрпмпгый чу- Силил
гуи (Н$4 Сг)
Относительная стои-
мость, «/о.......... [по 170 Ю5
454
Отливки из чугуна
шеи степени, как показали опыты
Рис, 289. Общий вид отливок иа прос-
того чугуна и силала после эксплоата-
ции
При температурах выше 850° окалина на снлале образуется
несколько быстрее, однако жаростойкость его в пределах до
900° может считаться вполне удовлетворительной ц в тем боль-
автора и А. Я. Иоффе, чем
меньше содержание угле-
рода в чугуне (рис. 290).
При этом механические
свойства сила ла понижают-
ся с увеличением содержа-
ния кремния. Поэтому луч-
ше всего ограничится 4,5—
5,0% St и компенсировать
недостаток кремния хромом
(~1%). Полезна также
прибавка при этом около
1,5%; Си.
Следует отметить, что
чугун этот весьма хрупок,
хотя при повышенных тем-
пературах (выше 500—
600°) он становится пла-
стичнее и даже прочнее,
чем простой мал о кремни-
стый чугун. Однако, не-
смотря на это, силал вслед-
ствие хрупкости и чувстви-
тельности к термическим
напряжениям обычно не-
применим для отливок, подверженных быстрому и неравномер-
ному нагреву или охлаждению.
Содержание углерода в пределах 2,3—2,5% обеспечивает
этому чугуну хорошие литейные свойства. При уменьшении
содержания углерода жаростойкость и прочность силала повы-
шаются, но литейные свойства (жидкотекучесть, усадка) ухуд-
шаются. Кроме того, появляется склонность к отбеливанию
в тонких сечениях. Поэтому понижение содержания углерода
может быть допущено только для массивных отливок.
При более высоком содержании кремния (14—18%) полу-
чается сплав, называемый ф с р р о с п л и д о м. Этот сплав
принадлежит к ферритному классу, в соответствии с чем струк-
тура ого состоит обычно нз феррита и графита (рис, 291).
Однако в результате отклонения от равновесия в структуре
реальных отливок начинается выделение силицидов (FcSi) уже
с 12—14 % Si, хотя по диаграмме состояния это возможно толь-
ко начиная с 22 % Si. При быстром охлаждении выделяются
Принципы получения высококачественных отливок
455
Рис. 290. Влияние содержания углерода в кремния на меха-
нические свойства, жаростойкость и рост силила
't
J
V.
Л
r.
Рис. 291. Микроструктура ферросилида (0,49% С,
16,1% Si); температура заливки 1280° (X 4101
к
456
Отливки из чцгцна
также карбиды сложного состава. Налично силицидов и карбидов
и структуре ферросилида повышает его химическую стойкость.
Отличительной и ценной особенностью фсрросилида являет-
ся его высокая химическая стойкость в большом числе агрессии'
ных сред: в серной кислоте разных концентраций к температур,
в азотной, фосфорной, уксусной, муравьиной, лимонной и в дру-
гих кислотах, в разнообразных растворах солей и во влажной
атмосфере 1.
Ферросилид стоек также в условиях газовой коррозии при
повышенных и высоких температурах, в пределах до 950°—
в атмосфере кислорода, углекислоты и сернистых газов, до 700°—
в среде пара и до 500° — в газообразном хлоре, хлористом во-
дороде и окислах азота. При этом ферросилит оказывается
совершенно незаменимым в условиях взаимодействия со среда-
ми, выделяющими водород. В то же время он нестоек в соля-
ной кислоте при повышенных температурах и совсем нестоек
против фтористых соединений и крепких растворов щелочей.
Для повышения стойкости в соляной кислоте к ферросилиту
рекомендуется прибавлять 3,5—4,0% Мо, а иногда еще и 1% Ni,
Рис. 292. Влияние кремния на
коррозиостойкость ферросн-
лида:
t — 354. НС| при 800; 2 — 404.
ГкЧО< при 60°; 3 — ао".4 HNOa
пта 60s
в результате чего получается
сплав, называемый антихло-
ром.
Структура антихлора состоит из ос-
ноэной массы твердого раствора и эв-
тектики. образованной твердым раство-
ром и Fe — Мо карбидами ИЛИ графи-
том Кроме того, а структуре встречает-
ся и силицид молибдена MoSis. С уве-
личением содержания молибдена эвтек-
тика принимает метастабильный харак-
тер. так что полное исчезновение сво-
бодного углерода происходит при 3—
4% Мо, что определяет его оптималь-
ное содержание.
Вследствие высокой химиче-
ской стойкости антихлор приме-
няется для изготовления ряда
отливок химического машино-
строения: деталей насосов, вен-
тилей, кранов, колонн, труб, фи-
тингов, циркуляторов, конденса-
торов, котлов и т. д.
С увеличением содержания кремния, как показали К. И. .Ва-
щещж и др., коррозионная стойкость и твердость этих сплавов
। При испытании фсрросилида в продолжении 120 чае. в 40% H„SO, пр»
60°. в 20% Н\ОЧ при 120—150° и в смеси HNO3+H,SO, при 180—200° он
Должен рокизывзгр потери в весе не выше 0.1 г/см^час.
Принципы получения высококачественных отливок.
457
Рис. 293. Влияние кремния на механи-
ческие свойства ферросилида;
* — тю данным К, И, ВаЩелка;
б — по другим данным
повышаются, но механические свойства понижаются (рис. 292
$ 293). Поэтому практика не использует сплавов с содержанием
кремния выше 18%, Более того, во всех случаях, когда требо-
фанпя в отношении коррозионной стойкости не очень высоки
шли же предъявляются повышенные требования в отношении
млотности и прочности, целесообразно ограничиться содержа-
нием 12—13% Si или, в крайнем случае, 14—16% Si (марка
f-15).
Ki При этом большое
Вначение имеет содержа-
ние углерода, определя-
ющее в известной мере
Шехаиические и литейные
свойства сплава.
К' Высокое содержание
Кглерода сверх эвтекти-
Ийского вызывает образо-
вание спели и неплохио-
Bfefi в отливках. При низ-
Врм же содержании уг-
Игерода металл очень хру-
Вок и, кроме того, харак-
йризуется нсудовлетво-
жтельными литейными
Миойствами, Поэтому со-
Вержаиие углерода1 дол-
ИКно быть близко к эв-
Вйктичоскому.
В;' Особого внимания требует вопрос о газонасыщенности спла-
№>s, причем поведение антихлора в этом отношении благоприят-
КЙе, чем ферросилида. Высокое содержание кремния в чугуне
«йособствует интенсивному поглощению газов из атмосферы
кпечи.
як: Процессу газонасыщения способствует также применение
РЙ-- шихте большого количества ферросилиция, обычно обогащея-
Тйбго газами (в этом отношении особенно опасен ферросилиций
повышенным содержанием алюминия, кальция и магния).
Образование газовых раковин и пористости, вследствие рез-
кого снижения растворимости газов при затвердевании феррит-
ных сплавов, является часто бичем производства. Высокая
газонасыщеиность вызывает рост металла в стояках и выпорах
,н образование брака по газовой пористости. Наибольшее зиа ш-
Ние в этом отношении имеют СО и Пг. Так, например, по иеко-
торым данным, пористые отливки получаются уже при содержа-
нии водорода свыше 2 см3/! 00 г металла:
458
Отливки из чугуна
Отливки: Of с«*/10Э г N?,₽.«’/1СО г
здоровые .... О 0(309—0,0011 0,0037 —0,1)038
пор гстые .... ’ 0,910(1 0,0010
очень пористые . 0,0410—0,0117 0,0027—0,001[
Н,.е.«*/100 г
'1 4—2 0
7.0
5,0—10,5
Поэтому приходится уделять много внимания режиму плавки
и подбору"шихты и применять минимальное количество ферро-
силиция н максимальное количество отходов и переплава С той
же целью следует избегать большого перегрева сплава, а также
применения сильно увлажненного дутья или сырой футеровки,
насыщающих металл водородом.
Наряду с этим сравнительно большая усадка (1,5—1,7%)
и хрупкость сплавов, а также почти вдвое меньшая, чем
у простого чугуна, теплопроводность, сильно способствуют обра-
зованию горячих и холодных трещин, причем антихлор в этом
отношении является еще менее, благоприятным материалом, чем
ферросилид вследствие отсутствия в нем графита.
Для борьбы с этими явлениями имеют большое значение
правильный выбор содержания углерода и температуры заливки.
Низкое содержание углерода способствует образованию горячих
трещин. Поэтому приходится ориентироваться па составы, близ-
кие к эвтектическим. Такие сплавы характеризуются меньшей
усадкой, большей пластичностью и меныпей склонностью к обра-
зованию горячих трещин. Поэтому они предпочтительнее, не-
смотря на несколько меньшее сопротивление коррозии.
Точно также н температура заливки должна быть правильно
выбрана (в пределах 1220—4280°). Очень низкие температуры
заливки имеют следствием получение мелкозернистой структуры,
но опасны с точки зрения образования газовых раковин. Высо-
кие температуры заливки, наоборот, дают отливки с крупной
первичной кристаллизацией и развитой траискрметаллизацией,
склонной к образованию горячих трещин, по без газовых рако-
вин. Поэтому для получения здоровых отливок следует выби-
рать средние температуры заливки в указанных выше пределах.
Ферросилид характеризуется удовлетворительной жидкотеку-
честью. Так, при перегреве над ликвидусом на 30° ферросилид
заполняет спираль Дсечением 50 лги2) на 52 см, а при перегреве
на 60° — на 74 см, хотя по внешнему виду металл, вследствие
образования па нем пленки SiOz, кажется холодным и вязким.
Поэтому из ферросилида можно отливать сравнительно тонко-
стенные отливки. Схемы подвода металла и питания отливок,
по свидетельству К. И. Ващенко, такие же, как и для конного
чугуна (рис. 294).
1 Для увеличения количеств;! переплава применяют иногда с пениальные
плавки па синтетической шихте из стали и ферросилиция с соответствующей
разливкой металла по чушкам.
Принципы получения высококачественных отливок
459
большие радиусы закруглений.
Рис. 294. Схема
талла и питания
IWlTftIJX ВТУЛОК)
кремнистых
подвода мс-
отливок (за-
из высоко-
спляпов
При конструировании отливок из ферросилида следует учитывать его ли-
тейные свойства. Необходимо по возможности соблюдать равномерную тол-
щину стенок отливки, плавные переходы,
^Следует избегать больших ровных го-
даонтальных плоскостей, способствую-
"ИХ задержке оксидной пленки п обра-
1ваннк> заворотов и спаек. Но избр-
ание образовании горячих трещин от-
1ВКИ нужно снабжать во всех опасных
ютах усадочными ребрами. Разного
да отверстия, в том числе н для бол-
В, должны быть выполнены в литье
остановкой стержней (песочных или
афнтпых), так как сверление отливок
03можно I.
Технологический процесс изготовле-
[ отливок из ферросилида должен
ъ очень тщательно разработан с уче-
। всех литейных свойств этого спла-
Форма и стержни должны быть
таточко податливы и газон рои ицае-
Жеребейки, как правило, не при-
яяются, так как отлить их из ферро-
лида затруднительно, а применение
щьных жеребеек недопустимо по по-
ражениям химической стойкости в
охой свариваемости. Формовка и
орка ведутся с исключительной акку-
ггностью, так как отливки обычно не
рабатываются. Кроме того, всякие
ровности, ыапдывы и заливы прспят-
вуют усадке отливки и могут привести
Образованию трещин.
Для борьбы с горячими трещинами выбивку отливок следует производить
азу после затвердевания. После этого отливки немедленно засыпают горя-
в формовочной смесью и оставляют медленно охлаждаться до комнатной
мпературы. Для устранения напряжений в сложных отливках рекомендует-
Переносить их горячими (вскоре после
(Жиг для снятия напряжений производится в течение
дуре 700—800° с последующим медленным охлаждением в печи.
Очистка отливок должна вестись очень осторожно, так как они настолько
'УПки, что даже слабые удары могут вызвать трещины. Зачистка литников
выпоров производится ни наждачных точилах. Применяется также песко-
руйная очистка.
г. Главнейшими видами брака ферросилида являются: трещины, усадочные
раковины, пористость, неметаллические включения, спаи и распоры вслед-
ствие роста металла, насыщенного газами.
Ввиду большой склонности отливок из ферросилида к образованию тре-
Шин исправление пороков заваркой требует больших предосторожностей.
Отливку укладывают в ящик с песком и медленно (6—8 час.) нагревают
В печи до температуры 500—600°. Заварка может быть газовая (анстплепо-
’кислородпэя) или электро-дугомя с электродами пли присадочными прут-
Вами из Ферросилида. Запарку ведут возможно быстрее под толстым слоем
* Обточка ферросилида возможна только сверхтвердыми сплавами иля
'йишфпврнием. Сверловка же совсем невозможна. Для повышения обрабаты-
ваемости рекомендуется добавка 0 2—3,0% Си.
заливки) в печь для отжига,
час. при темпе-
460
Отливки «з чугуна
флюса. После запарки отливку засыпают песком и медленно охлаждают
и лечи до комнатной температуры,
^Марганцевый чугун, В качестве, легированно №
маргшшем чугуна применяется, главным образом, высоко-
легированный аустенитный немагнитный чугун. От такого
чугуна требуется малая магнитная проницаемость (близкая
к 1,0 ravce/эрстед), большое электросопротивление, обрабаты-
ваемость и устойчивость аустенита против отпуска. Стойкость
против коррозии, износа и высокие механические свойства' яв-
ляются соподчиненными требованиями и имеют в большинстве
случаев второстепенное значение.
Задача получения немагнитного чугупа без никеля была
впервые разрешена в СССР в 1930 г. В. С. Меськиным и
Б. Е. Соминым. Состав и свойства этого чугуна представляются
в следующем виде:
С, Si, Мп. р, s,
% % % % %
Си, Al, * jf мм р. р.
% % е w гаусс/
кг>ммл эрстед
3,3— 2,4— 7,0- 0,3-0,05- 1,0—До0.6 22—34 7-18 1,1— 140-
3,9 3,2 12.0 <1,7 0,07 2,0 2,0 160
Содержание марганца должно быть минимальным, но до-
статочным для предотвращения образования мартенсита. Избы-
ток его вызывает получение большого количества карбидов,
ухудшающих обрабатываемость. Углерод необходимо держать
па высоком уровне, так как он обеспечивает графитизацию
н улучшает обрабатываемость, С той же целью вводят кремний
и алюминий. Медь повышает устойчивость аустенита. В то же
время она, хотя и в слабой степени, способствует распаду кар-
бидов и поэтому с успехом заменяет часть марганца.
Повышенное количество фосфора вводится с целью увеличе-
ния жидкотекучести чугуна. Тому же способствует низкое со-
держание серы, получаемое вследствие высокого содержания
марганца.
Выбирая состав металла для разных отливок’ в указанных
пределах, следует обеспечить получение аустенитно-графитной
структуры с минимальным количеством карбидов и выгодным,
с точки зрения обрабатываемости, количеством графита
(рис. 295).
Ассортимент отливок, изготовляемых из немагнитного чугуна,
достаточно разнообразен. Наиболее характерными из них
являются: фланцы, крышки масляных выключателей, детали
трансформаторов тока, об мотодержатели, шинодержатели, на-
жимные кольца, роторные втулки, кожухи, салазки, каркасы,
стойки, шкивы, подшипники, шестерни, маховочки и т. д. Кроме
того, благодаря высокому электросопротивлению немагнитный
Принципы получения высококачественных отлива;
46!
если при
охлаждении
чугун применяется для изготовления литых реостатных элемен-
тов взамен нихрома и никелина.
Магнитные свойства чугуна зависят от его структуры, а сле-
довательно, от состава металла п скорости охлаждения отлшиш.
Например,
ПОЛНОМ
этливки в форме про-
ипаемость получается
5ычно в пределах
4—1,5 гаусс/эрстед, а
массивных отливках
усти га ет даже 2,0 га-
:с/зрстед, то при ох-
лаждении отливки в
аде возможно полу-
ение проницаемости
1 гаусс/эрстед и ии-
6. Поэтому весьма
йлесообразны ранняя
ябивкз отливок
Ю—1000й
>СТИ при
гливках)
ажденне
Среднее
Цельного
тотивления
угу на р = 140 —
э0 У см, а его температурный коэфициент z =• 0,0006.
Благодаря аустенитной основе немагнитный чугун отличается
овышеннон вязкостью при достаточной прочности.
Механические свойства немагнитного чугуна являются
большинстве случаев удовлетворительными и даже позволяют
рименять его в условиях небольших динамических нагрузок.
Повышение прочности может быть достигнуто за счет попиже-
рия содержания углерода, что, однако, сопряжено с ухудшением
Обрабатываемости. Высокомаргатвдевый чугун обладает хорошей
.-жидкотекучестью, позволяющей без труда заливать мелкие
и тонкостенные отливки с толщиной стенки 3—4 мм. Жидкоте-
/кучесть чугуна сильно зависит от содержания фосфора
। 0,4—0,6% Р незначительно отличие гея от
простого чугуна. При понижении содержания фосфора жидко-
текучесть высокомаргаиневого чугуна резко падает и при сидер-
' Жанин 0.1- 0,2% Р чугун, даже хорошо перегретый (1350.......
1400е), мало пригоден для заливки мелкого и тонкостенного
при
(в особсн-
массивных
11 их ох-
в воде.
значение
электросо- Рис. Ж. Структура аустеннтшим мйргэн-
этого цэвоги чугуна (X1D0)
И при
жидкотекуч Л? гп
462
Отливки ив чугуна
Рис, 296 Измене-
ние литниковой си-
стемы с целью
предохранения от
попадания спели а
форму
литья. В этом случае необходимо соответственно увеличивать
количество питателей и сечение элементов литниковой системки
Некоторые трудности при производстве немагнитного чугуна
вызывает выделение спели па поверхности отливок, что наблю-
дается при повышенном содержании углерода и кремния. Если
выделения спели незначительны, то это
лишь способствует получению чистой от-
ливки без пригара. При большом же со-
держании углерода и кремния выделения
спели могут быть так велики, что места от-
ливки, прилегающие к питателям, и верх-
ние ее поверхности оказываются сплошь
изъеденными крупными графитными ско-
плениями, вызывающими брак. Поэтому ре-
комендуется располагать отливку в форме
таким образом, чтобы выделение спели
происходило на неответственных поверхно-
стях.
Кроме того, нужно соответствующим об-
разом конструировать литниковую систему.
На рис. 296 показана измененная конст-
рукция литниковой системы, предохраняю-
щая от попадания спели в отливку. Вве-
дены острые углы, меняющие направление
и скорость движущихся струй и установлены выпоры в этих
углах, играющие роль отстойников. Однако еще лучше не пре-
вышать нормального содержания кремния в чугуне, так как
выделения спели понижают жидкотекучесть и вызывают образо-
вание спаев и недоливов.
Механическая обработка отливок из немаТнитного марганце-
вого чугуна производится без особых затруднений вследствие
наличия графита. При этом твердость чугуна не должна пре-
вышать 180—220 Н я.
Контроль отливок производится не только по размерам, весу,
механическим свойствам, порокам, но и по магнитным свойствам.
Магнитная проницаемость определяется па образцах лабора-
торным путем. Иногда же изделия подвергаются испытанию па
перегрев в условиях службы с определением изменения магнит-
ной проницаемости.
Отливки, из отбеленного чугуна
463
ГЛАВА VIИ
ОТЛИВКИ ИЗ ОТБЕЛЕННОГО ЧУГУНА
| Макроструктура отливок из отбеленного чугуна состоит из
наружного твердого слоя белого чугуна, обеспечивающего высо-
кое сопротивление износу, ц мягкой серой сердцевины, обеспе-
иивающей достаточную вязкость и прочность отливки.
I Примерами отливок из отбеленного чугуна могут служить
игрока тпые и размывающие валки, вагонные колеса, мельничные
[(барабаны, волочильные доски, части дробильных машин и т. д.
[Все эти отливки работают в жестких условиях сухого износа.
[Кроме того, они подвергаются иногда воздействию больших
Ьагрузок и переменной температуры, Поэтому от отливок подоб-
ного рода требуются высокая твердость, износоупориость, проч-
ЕИОС.ть, а иногда и термостойкость.
И. ОБЩИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОТБЕЛЕННОГО ЧУГУНА
К Получение отбеленных отливок основано на возможности
кристаллизации чугуна по стабильной или метастабильной си-
Ктемам в зависимости от состава металла, скорости охлаждения
Е других факторов. Поэтому, ускоряя охлаждение наружных
Клоев отливки, например путем применения кокилей, и изменяя
Содержание кремния в металле, можно получать чугун с той
Или иной глубиной отбела.
К а) Образование отбела него строение. Про-
цесс образования отбела в чугуне при заливке его в кокиль
изображен схематически на рис, 297. Кривая АВ представляет
изменение линейной скорости первичной кристаллизации
Е0атвердевапия) по толщине отливки. Эта скорость имеет мак-
Е&гмальное значение в месте соприкосновения с кокилем, т. е. на
[ЙВаружной поверхности отливки, и постепенно уменьшается пи
КМере продвижения к центру. Характер этой кривой зависит Ст
ЕТермо-физических констант формы, температуры заливки и ряда
й(Других факторов.
ф/ В зависимости от скорости кристаллизации чугун может
['В той или иной степени графитизироваться. Каждый чугун
Характеризуется какой-то минимальной критической скоростью
^кристаллизации выше которой графитизация полностью
['тормозится, Кроме того, существует еще какая-то другая, мень-
В-Пзая по величине максимальная критическая скорость
КЯиже которой полностью отсутствуют структурно-свободные кар-
464
Отливки из чугуна
будет белым. Центральная часть отл
скоростью кристаллизации меньн’ей,
Рис. 297. Схематическое изображение про-
цесса образования отбела и характерней!
ка отбеленного слоя
биды. Эти критические скорости кристаллизации зависят от со-
става, жидкого состояния чугуна и других факторов.
Очевидно, что слой чугуна х, прилегающий к кокилю и ха-
рактеризующийся скоростью кристаллизации большей, чем и „,
Hi (правее зоны 7), со
v.w.„r . будет серой.
В промежуточной же
области z = т—’л ока'
жется чугун смешан-
ной структуры, содер-
жащей одновременно
белую и серую состав-
ляющие.
Величина и строе-
ние переходного сдоя,
как и зоны чистого от-
бела, имеют большое
значение для качества
отливок. Поэтому ре-
комендуется оценивать
отбел в зависимости от
толщины его зон, а
именно: 1) а — зона
чистого отбела, 2) 3—
зона полезного отбела.
до отчетливо выявлен-
ной границы серого чу-
гуна, 3) 7 —зона об-
щего отбела до полно-
го исчезновения белой
составляющей.
А. Е. Кривошеев
предлагает другое де-
ление; 1) а — зона чи-
стого отбела, 2) z —
зона переходного слоя.
у на на вел пчии у
н свойства отбеленного слоя. При оценке влияния
состава металла приходится учитывать не только глубину отбели
и характер переходного слоя, но ц соответствующее изменение
твердости, прочности, изпосоупорности и термостойкости чугуна
Как показывают литературные данные (рис, 298), графити-
зирующие элементы уменьшают, а элементы, препятствующие
графитпзашш, увеличивают глубину отбела, Сопоставляя щггеи-
Влияние состава ч v г
Отливки, из отбеленного чугуна
465
Рис. 298. Влияние элементов на глубину отбела и поверхностную твердость
отбеленного чугуна
сивность влияния элементов в этом отношении, можно располо-
жить их в следующий ряд по мере увеличения отбеливающего
влияния:
Уменьшают отбели -+ Увеличивают отбел
С, Si, TI, N1, Си, Со, Р W, Мп, Мо, Сг, Sn, V, S, Те
Элементы различным образом влияют также на величину
переходного слоя. Углерод, сера и фосфор уменьшают ее. Осо*
30 Эи. 805
466
Отливки из чугуна
беяно заметно в этом отношении влияние углерода, как это
видно из данных А, Е, Кривошеева и Л. С. Рудницкого-.
С, и 2,7 2,9 3,0
Величина z
(при а = 14 мм), мм 70 40 32
Другие элементы, как например хром, молибден, марганец,
ванадий, увеличивают глубину переходного слоя. При этом хром
образует длинные белые полосы, проникающие в серую сердце-
вину и понижающие прочность отливки. Поэтому качество от-
беленного чугуна может быть определено, по предложению
А. Е. Кривошеева, абсолютной (з) и относительной (А =—-—)
а+’/
глубиной чистого отбела. Первая определяет износоупорность
чугуна, вторая — его прочность,
По интенсивности влияния на твердость отбеленного слоя
элементы располагаются следующим образом:
С. Ni, Р, Мп, Сг, Mo, V, Si, Al, Си, Ti, S.
Сравнивая оба ряда, легко заметить, что между влиянием
Элементов на глубину отбела и твердость отбеленного слоя нет
связи — в противоположность тому, что обычно наблюдается
в сером чугуне. В последнем случае элементы, препятствующие
графитизации, увеличивают количество связанного углерода,
а следовательно, и твердость. Увеличение же количества карби-
дов в белом чугуне возможно, главным образом, путем повы-
шения содержания углерода. Поэтому углерод интенсив-
нее всех других элементов увеличивает твер-
дость белого чугуна1. Также, хотя и с меньшей
интенсивностью, действует фосфор, образующий твердую со-
ставляющую — фосфидную эвтектику.
Другим путем повышения твердости отбеленного слоя являет-
ся размельчение первичной структуры, а также соответствующее’
повышение дисперсности перлита. Максимальная же твердость
получается при мартенсито-карбидной структуре, образованию
которой в белом чугуне способствуют никель и марганец, от-
части хром и молибден. При этом каждому содержанию углеро-
да соответствует критическое содержание никеля, обеспечиваю-
щее максимальную твердость. Таким образом, углерод и ни-
кель, несмотря на их графитизирующее влияние, в силь-
ной степени пов ы шаю т твердость отбелен по го
чугуна. С другой стороны, сера, несмотря на известное
1 По пекоторым литературным данным твердость белого чугупа является
прямолинейной функцией содержания углерода, например Иц—- 112,3 С + 5Г>;
Hsb = 16,7 С + 13.
Отдньки из отбеленного чугуна
467
торможение ею графитизации, в лучшем случае не оказыва-
ет вл и я пия на твердость отбеленного чугуна,
а ио некоторым данным даже уменьшает ее.
Для получения мартснсито-карбидной структуры применяют
чугун с содержанием около 3,0—4,5% Nr и 0,75—1,5% Сг. Хром
в данном случае играет роль карбндообразующего элемента,
сопротивляющегося графитизирующему действию углерода и ни-
келя, Твердость этого чугуна высокая1-—тем больше, чем вы-
ше содержание углерода;
Простой отбеленный чугун N1—Сг чугун
С.» ................................ 3.5 2,75 3,5 2,75
У/g , лу/лгж-'........................ 500 КО 675 575
Добавка молибдена уменьшает склонность к транскристал-
лизации и способствует получению мелкозернистой структуры,
вследствие чего прочность чугуна увеличивается. Большое влия-
ние на прочность оказьщает также углерод. С увеличением его
содержания в чугуне отбеленный слой становится более грубым
по структуре, его прочность понижается, а
вается. В том же направлении изменяются
ства серой сердцевины:
хрупкость увеличи-
механические свой-
Простой отбелешгий чугун
3,5«/ПС* * 2,75% С
отбеленная часть е^, кг/мм* 24—28 34—37
серая чисться, кг/мм* . . . 11—-17 1,5—27
Ni—Сг чугун
3,5%С 2,75%С
38-42 49-56
21-24 28—35
Таким образом, повышение поверхностной твердости, а также
увеличение глубины отбела, в особенности его переходного слоя,
идет вразрез с показателями прочности.
При выборе состава чугуна и при оценке влияния элементов
на служебные свойства отбеленных отливок приходится одно-
временно учитывать изменения прочности, износоупорпости
и термостойкости. При этом об износоупорностп судят обычно
Но твердости отбеленного слоя, а о термостойкости — по ре-
зультатам специальных испытаний2. Схематическое влияние
элементов на эти свойства, ио различным данным, показано на
рис. 299, из которого следует, что повышение твердости не всег-
да влечет за собой увеличение износоупорности,
1 ! Еще большую твердость <800- 950 I/ имеет XI—В чугун, в котором
хром заменен бором (0.7—1,8%). Ввиду дефицитности никеля К. П, Бунин
л предложил применять для той же цели высоко марганцовый чугун (6—8%
[' 'Мп. Ей, 1,0—1,5% Si), характеризующийся пыеокой твердостью (/?<: •
г. ,г,7, //дуу ” 75) и изпосоупорносгыо. Однако, этот чугун в сильной степени
h склонен к трипскристаллизации и образованию трещин и отличается mcih,-
’’ шей прочностью, п особенности и направлении поперек дендритоп.
- Испытание н,т термостойкость ьозмоа.тю путем определении чнелл на-
* гревов до 600° с последующим охлаждением и воде до получения сплошной
сетки разгара га образцах 10X20
30*
468
Отливки, из чугуна
Как показали К. П. Бунин и др., наибольшее влияние на
сопротивление износу белого чугуна имеет его структура. Чем
Рис, 299. Схематическое изображение
влияния элементов на прочность, твер.
дость, износоупорчость и термостойкость
меньше количество эвтек-
тики. чем она грубее вы-
ражена и чем больше
расчленена, тем меньше
износостойкость. Однако
большое количество эв-
тектической составляю-
щей при наличии ударов
и колебаний температуры
приводит к увеличению
склонности к растрески-
ванию поверхностного
слоя и к абразивному из-
носу под действием ос-
колков эвтектической со-
ставляющей. Повышение
износостойкости дости-
гается тогда путем раз-
мельчения продуктов рас-
пада аустенита. Поэтому
в тех случаях, когда на-
отбеленвого чугуна ряду С ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ
требуется высокая проч-
ность, необходимо повышение содержания молибдена и никеля
и понижение содержания углерода и марганца в чугуне.
Термостойкость повышается при введении молибдена и нике-
ля и понижается с увеличением содержания фосфора, серы,
марганца, углерода и хрома. Она в значительной мере зависит
от структуры отбеленного слоя и повышается при изолирован-
ном расположении карбидной фазы в основной массе. Такая
структура легче всего достигается при медленном охлаждении.
Поэтому отливка в песочные формы обеспечивает более высокую
термостойкость, чем отливка в кокиль.
Следует учесть, что при работе отливок из отбеленного
чугуна в условиях повышенных температур необходимо обеспе-
чить достаточную стойкость карбидов, что достигается легиро-
ванием элементами, препятствующими графитизации (Сг, V,
Мо), Таким образом, выбор состава отбеленного чугуна пред-
ставляет серьезную задачу, удовлетворительное решение кото-
рой зависит от правильного учета всех условий работы отливок.
в) Влияние других ф а к т о р ов на величину
и свойства отбеленного слоя. Кроме состава чугуна,
на величину и свойства отбеленного слоя оказывают влияние
Отливки из отбеленного чугуна
469
перегрев жидкого металла, режим плавки, свойства шихтовых
материалов, технология формы и т. л, Все эти факторы в той
или иной степени определяют природу и состояние жидкого
металла и наличие в нем зародышей, а также скорость охлаж-
дения отливок. Поэтому они обусловливают характер Кристал-
лнзации чугуна и величину отбела,
Например, повышение температуры перегрева и времени
выдержки чугуна в жидком состоянии, при одной и той же тем-
пературе заливки, увеличивает, по литературным данным, глуби-
ну отбела вследствие уменьшения числа зародышей:
Температура пе- Чистый отЪгл Время выдержки Чистый отбед
регрева, °C лгл чае. хм
1220 18 1VS (половинчатый)
1355 31 1 8
1465 46 I1/, 12
Точно также увеличение количества
повышает склонность к отбеливанию:
белого чугуна в шихте
Серий чугун,% Белый чугун, % Чистый отбел, лог
100 — 12
50 50 16
— 100 20
Происхождение и условия плавки чугуна, как показал
А. Е. Кривошеев, влияют не только на абсолютную, но и на
относительную величину чистого отбела И=^). Она оказы-
вается тем больше, чем больше древесноугольного чугуна
в шихте, чем менее окислителен шлак и чем меньше выдержка
чугуна под окислительным шлаком.
Условия плавки оказывают разное влияние на относительную отбеливае-
Мость чугуна в зависимости от происхождения шихтовых материалов. Напри-
в условиях плавки на древесноуголыюм чугуне повышение температуры
перегрева я времени выдержки приводит
к насыщению чугуна газами
отбеливаемость, Перегрев же
включениями и уменьшает относительную
И выдержка под восстановительным шлаком жидкого металла, выплавлен*
него на коксовом чугуне, очищают металл от включений и увеличивают относи-
тельную отбеливаемость. Это дает, таким обрезом, возможность получать ка-
чественные отбеленные отливки на шихте с попсовым чугуном. При этом по*
лезно также модифицирование чугуна. Наилучшие результаты в отношении
уменьшения величины переходного слоя получены при введении в чугун не-
больших количеств (0,005—0.15%) силикокальцня, силикоалюлТпння, смени
ферросилиция с карбидом кальция, ферротитана, меди, теллура, бора в серы.
Кроме того, па глубину отбела п твердость чугуна оюг’-ы-
вают влияние факторы, определяющие скорость кристаллизации
отливки (температура заливки, конструкция и температуря
кокиля, его обмазка и условия внешней теплоотдачи, размеры
отливки и Т- Д.).
470
Отливки, из чугуна
Относительно влияния температуры заливки в литературе
встречаются противоречия. Имеются попытки объяснить эти
противоречия тем, что скорость кристаллизации при высокой
темцературе, залив-
ки вначале охлаж-
дения больше, чем
при низкой темпера-
туре (вследствие
большого перепада
температур), а за-
тем только стано-
вится меньше вслед-
ствие прогрева ко-
киля. Однако это
объяснение неверно,
так как скорость
кристаллиза-
ции чугупа
всегда умень-
шается с уве-
личением тем-
пературь! за-
ливки (рис. 58).
Поэтому скорость
кристаллизации при
при холодном (х)
высокой температуре
Рис. 300. Схематическое изображение влияния
температуры заливки на глубину отбели:
г -- крипан кристаллплягипг при лцеокей темпе рптуре
заяивхщ X -- то же при иппкоЛ температуре делипки;
г мин- tW M*Jlb| 1JJ1 € к onoc rfr кр к ст нлл 11 it j 111 ш. обе c n ts
чггЗДюцгля ri^iHcidrc отгула: J' — то же при hwciiw
neperpvec чугуни или длцтслыюй издержке csro н
КОм с ЛГТиЯ1|Щ|
горячем чугуне (rj всегда меньше, чем
согласно рис. 300, Глубина отбела при
заливки (аг ) должна быть, следовательно, всегда меньше, чём
при низкой температуре (stj. Однако более высокий перегрев
или длительная выдержка жидкого металла, сопутствующие
всегда высокой температуре заливки, понижают минимальную
скорость кристаллизации, обеспечивающую получение отбела
(‘о’м„„< ^мир)- Поэтому отбел увеличивается вслед-
ствие повышения перегрева или увеличения
выдержки жидкого металла. При этом, в зависимости
от величины изменения минимальной скорости кристаллизации
(А,,™, г’"м„н, г’"'М11и), отбел при высокой температуре заливки
может быть меньше (а'г), равен или больше (х'"г), чем
при низкой температуре (ак ) Этим объясняются указанные
выше кажущиеся противоречия в экспериментальных данных.
В зависимости от соотношения влияния разных факторов
i I вменение’ v«nn зависит пс только от величины перегрева и времени
выдержки, но и чт состава чугуна. Поэтому повышение температуры залиикп
увеличивает отбел при высоком содержании кремния (> 1%), не влияет при
среднем се держании кремния (0,6—0,0%) и уменьшает его при низком содер-
жании кремипи (< 0,6%).
Отливки из отбеленного чугуна
471
(температура заливки, перегрев, длительность выдержки жидко-
। го металла) изменяются также степень размельчения структуры
к твердость отбеленного слон. При этом в большинстве случаев
имеет место повышение твердости с увеличением температуры
заливки.
Из других внешних факторов заметное влияние на величину
отбела оказывает время соприкосновения отливки с кокилем.
Влияние этого фактора, согласно литературным данным, харак-
теризуется следующим образом:
Время соприкосновения, мин. . . 1 1,5 2,25 3,0 .Сутки
Глубина чистого отбела, мм .... — 13 26 30 35
В связи с этим горизонтальный кокиль в нижней части фор-
умы, обеспечивая длительное соприкосновение с отливкой, дает
1более глубокий отбел, чем вертикальный или верхний горизон-
тальный кокиль, Гладкий кокиль, обеспечивающий плотное со-
прикосновение с отливкой, также дает более глубокий отбел,
Наконец, большое влияние па глубину отбела и распределе-
ние твердости чугуна по сечепшо Отливки оказывают толщина
Кокиля, его температура и теплоизоляция внутренней и внешней
^поверхности-
С увеличением толщины кокиля (х) глубина отбела воз-
растает только до определенных пределов. Полезная толщина
ж
Рис. 301. Влияние толщины
кокиля па отбел валка (ко-
К1МЛ с наружной теплоизо-
ляцией)
Рис, 302, В-'иппие t Минины мбмазки ко-
киля на распределение твердости по се-
чению валка диаметром 550 мм:
[ — толщина ofiMniKH 0,75 ЛИ; 2 — темпияна
пбмпзкн 10 мм;3 — толщина обмазки 8,0 мм;
4 —’ толщин л абмрчнц |2,0 л л1
Г (s; А! -0,25-1,0) зависит от конструкции отливки и состава мг-
1 талла. Например, увеличение толпшпы кокиля сверх 100
I] 200 мм при отливке валков или сверх 10—15 мм при отлив-
k ке кулачковых валиков уже не повышает больше глубины
i отбела. Более того, в ряде случаев увеличение толщины кокиля
472
Отливки из чугуна
сверх определенного предела может даже привести к уменьше-
нию глубины отбела вследствие аккумуляции тепла в толстом
кокиле, соответствующего замедления скорости охлаждения
и самоотжига отливок. В пределах же полезной толщины коки-
ля увели пение отношения s : R приводит, согласно исследова-
ниям Л. Е. Кривошеева, к возрастанию не только глубины
чистого и общего отбела, но и к уменьшению относительной
величины переходного слоя (рис. 301).
Повышение температуры кокиля или торможение теплоотдачи
на внешней, а в особенности на внутренней его поверхности
уменьшает глубину отбела и твердость чугуна, В частности,
большой слой обмазки или краски может, по данным А, Е. Кри-
вошеева, полностью уничтожить действие кокиля (рис. 302).
2, ПРОКАТНЫЕ ВАЛКИ
Валки можно разделить на прокатные и размалы-
вающие. Прокатные валки являются важной сменяемой ча-
стью прокатного стана. Расход их составляет приблизительно
% % от веса проката, так что производство валков имеет боль-
шое народно-хозяйственное значение.
а) Классификация прокатных валков для
металла и условия их службы, В зависимости от
назначения прокатные валки для металла делятся на гладкие
для листовых прокатных станов и калиброванные (или
ручьевые) для сортовых станов. Валок состоит из бочки, шеек,
служащих для поддержания валка в подшипниках, и трефов,
при помощи которых валок соединяется с валом привода или же
с соседними клетями стана.
По характеру работы валки делятся на о б ж и м н ы е, чер-
новые и чистовые. В зависимости от рабочей температуры
различают валки для горячей и холодной прокатки. Последние
применяются, главным образом, для тонких листов, полос
и лент и должны иметь особо высокую твердость и гладкую
поверхность.
Условия службы валков предъявляют к ним разнообразные
требования;
1) поверхность бочки валка должна быть чистой, без раковпи
и треишн и должна отличаться достаточной твердостью, чтобы
не деформироваться от давления при прокатке металла;
2) поверхность валка не должна быстро изнашиваться и ме-
нять сноп контуры, в противном случае могут происходить
искажения профиля проката;
3) материал валка должен обладать высокими механически-
ми свойствами во избежание поломок,
Отливки из отбеленного чугуна
473
Соответственно разнообразию прокатываемого материала
й условиям прокатки имеются различные виды прокатных вал-
ков. Наибольшие значения имеют валки для металлопромыш-
ленности, Общее представление об их классификации и мото-
рах
производства дает следующая схема:
КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУННЫХ ВАЛКОВ И МЕТОДОВ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
Ьадкн для металлопромышленности
Твердые отбеленные валки применяются, например, в листо-
:Ом и полосовой прокатке и в отделочных линиях мелкосортных
L проволочных станов. Полутвердые валки из серого чугуна
перлитной и перлито-цементитной структурой основной массы
рименяютя при прокатке крупных сортов профильного металла
i чистовых линиях среднесортных станов, черновых линиях
[елкосортных и проволочных станов и т, д.
По своим габаритам прокатные отбеленные валки колеблют-
!Я от 150 до 1000 мм по диаметру и от 600 до 4000 мм по
1лиие.
б) Отбеленные валки из простого чугуна.
Отливка валков производится, как правило, вертикал:.но
(рис. 303). При этом бочка валка образуется кокилем, a няшки,
£рефы и прибыль формуются по модели или шаблону в формо-
вочной смеси. Толщина стенок кокилей берется обычно в пре-
474
Отливки из чугуна
делах s : R = o,65—1,0, что несколько больше того, что тре-
буется для получения’ нужного отбела. Это необходимо, исходя
из условий прочности и возможности переточки кокилей по мепг
их разгара,
В зависимости от назначения валки имеют разную глубину
отбеленного слоя на бочке (от 8 до 25 льн для гладких валков
и до 35 мм для валков ка-
либрованных). в последнем
случае глубина чистого от-
была определяется макси-
мальным врезом, Если она
получается больше 35 мм.
целесообразно отливать вал-
ки с готовыми ручьями.
С увеличением глубины от-
бела прочность валка умень-
шается и опасность поломки
возрастает. Поэтому валки,
подвергающиеся большим
напряжениям (например,
листопрокатные), должны
иметь небольшую глубину
отбела (до 25 леи). С этой
целью, по мнению А, Е.
Кривошеева, важно также
обеспечить получение не-
большого по величине пе-
реходного слоя — А =
-“-=0,25—0,45' (рис. 304).
1 + г
Твердость отбеленных валков из простого чугуна колеблется
в пределах 55—65 по Шору, причем минимальные значения
твердости относятся к толстолистовым валкам, а максималь-
ные — к валкам для холодной прокатки.
Соответственно размерам и назначению валков выбирается
их химический состав (табл. 42).
Содержание углерода в чугуне назначается в зависимости от
величины действующих напряжений, содержание кремния — в
зависимости от диаметра валка, способа формовки и требуемо;'!
глубины чистого отбела, Повышенное содержание фосфора ре-
комендуется для увеличения жидкотекучести чугуна и уменьше-
ния опасности образования трещин. Содержание маргашш
I Технические условия на валки предусматривают глубину переходного
слоя в пределах до 300% от глубины чистого отбела. При этом переходный
слой нс должен проникать дальше Уз радиуса валка.
Отливки из отбеленного чугуна
475'
Рис. 304. Влияние переходной зоны
па число поломок н стойкость вал-
коп:
1 .. ciciiKtu.'T^ id-TK^u: 2 - • «шедто поломок
чугуне держится на низком пределе с целью уменьшения на-
фяжепий в валках. Получение необходимого по величине пере-
одного слоя обеспечивается подбором шихтовых материалов
условий плавки, а также модифицированием.
Заливка валков ведется при температуре 1250—1270,J. При
олее высокой температуре получаются трещины в валках, при
олео низкой — раковины и
оролькв,
Перед заливкой кокиль
агревается в сушиле до
150—300". Его внутренняя
оверхпость тщательно очи-
щается и покрывается слоем
юрмовочных чернил тол-
щиной 0,3—0,6 мм. Покрас-
;а уменьшает износ кокиля,
^сколько ослабляет резкое
хлаждение отливки, пред-
храняя от образования
рещин, и способствует по-
учению гладкой поверхно-
*и валка. При правильном
«оде кокили могут выдср-
:ать сотни заливок.
Для борьбы с усадочными
эевесным углем и в течение
несколько приемов горячим металлом.
Залитые валки остывают в формах в течение 12—20 час.,
зк как слишком раннее освобождение их из кокилей может
раковинами прибыль засыпают
1—2 час, после заливки доливают
Таблица 42
Составы чугуна, рекомендуемые для отбеленных валков
Химический состан,
Род и назначение валков
'истовые валки (кро-
вельные н жестека-
Лвльные) ......
релпесортные валки
(калиброванные и глад-
кие) ..........
Мелкосортные валкн
[калиброванные и глад-
кие) ................
Мельничные валки . . .
2,7—3,7
2.7—3,7
2,7-3,7
3,2-3,4
0,4—3,7
0,4—0,7
0,4 0,7
0,7—0,0
0,2—0,5
0,2-0,8
0,2—0 6
0,4—0,6
До 0,55 До 0,1
До 0,55 До 0,12
До 0,55 Де, 0,12
.25-0,45 До 0.14
476
Отливки из чугуна
привести к образованию трещин. После очистки и обрубки вал-
ки осматриваются техническим контролем, маркируются и
направляются в вальцс-токарный цех для обработки.
Значительно сложнее оказывается процесс производства
калиброванных отбеленных валков. Наиболее распространенный
способ заключается в отливке валка с цилиндрической бочкой
и с последующей выточкой ручьев в вальце- токарном цехе.
Однако, такой способ обходится дорого, не говоря уже о том,
что при этом удаляются наиболее качественные слои металла.
Кроме того, при глубоких ручьях, попадающих в переходный
слой, твердость валков получается пестрой; увеличивать же
глубину’ отбела более 35 мм не рекомендуется ввиду уменьше-
ния прочности валка, Поэтому большой интерес представляет
отливка валков с готовыми ручьями. Чтобы не препятствовать
при этом усадке валка, А. Е. Кривошеев предложил изготовлять
кокпль сборным из ряди свободно подвешенных колец, профи-
лированных особым образом (рис, 305).
Подвеска колец и создание податливости, обеспечивается
деревянными прокладками, Калибровка же колец производится
так, чтобы усадка по диаметру была достаточно велика ио от-
Отливки, из отбеленного чугуна
477
сношению к усадке по высоте и не препятствовала нормальной
|усадке валка. Как видно из схемы рис. 305,0, абсолютная усад-
ка по диаметру составляет 2 г, а по высоте кольца — еН( -= —
ютносительная усадка валка). Таким образом, усадка будет
протекать по прямой al). Чтобы избежать торможения усадки
(необходимо, чтобы угол калибра (а) был меньше угла усадки
|( |3) или, что то же, tga <tgjk Так как tga = ^* . т0 усло-
вие отсутствия торможения усадки выразится формулой:
I или Н< 2rtgp, (159)
де Н—-высота кольца,
К 2 г — диаметр валка,
I р —угол калибра.
I Применение валков с готовыми ручьями дает большую эко-
номию и повышает качество проката.
в) Отбеленные валки из легированного чу-
уна. Как показали А, А. Горшков, И. Н, Блинов, М. М. До-
ротворскин и др. одновременное увеличение твердости поверх-
ности и прочности сердцевины валка легче всего достигается
Легированием1 чугуна. С этой целью применяются молибденовый,
Лромомолибденовый, ннкелехромовый и хромоникелевый чугуны
табл. 43).
В Валки из низколегированного чугуна (молибденового и хромомолибдено-
вого, характеризуются высокой прочностью при средней, но равномерной
Ивердости. Такие валки применяются, например, при производстве жести и
Ибеспечивагог не только более высокую стойкость валка, но и более чистую
поверхность проката.
В Валки из среднелегированного (някелсхромового) чугуна имеют структуры
^Ьзкотемпературного распада и высокие значения твердости и прочности
^зависимости от содержания углерода. При выборе состава чугуна для этих
длков, на основе заданных значений твердости и глубины отбела, можно
^Кльзоваться литературными данными (рис. 306). Нандучшими являются
^Кставы, соответствующие заштрихованной площадке abed диаграммы, Леги-
Ивванные валки данного составе показали больший срок службы по сравне-
Кпо с обычными валками, лучшее качество проката и меньшие потери на
рвение в цапфах. При производстве этих валков следует только иметь в виду
большую склонность к образованию трещин. Для борьбы с трещинами
^Несообразно держать высокое отношение N1 : Сг в чугуне (около 5—6).
|" этой же целью необходимы длительная выдержка этих валков в форме
^и специальный низкотемпературный отжиг для снятия напряжений.
Кроме валков с отбеленным слоем, применяют еще насквозь отбеленные
^Иоуглеродистые низколегированные Сг—Ni валки с равномерной по сече-
К» твердостью около 330 Нв, Низкое отношение Ni : Сг необходимо в дан-
юм случае для получения сквозного отбела, а низкое содержание угле-
$Ка— для получения высокой прочности.
^Легированные валки подвергаются обычно термической обработке, кото-
преследует две цели: понижение твердости шеек и трефов для облегче-
х Механической обработки и устранение литейных напряжений. Например,
рЖиг валков нз среднелегированного Ni—Сг чугуна в течение 24 час. при
Отливки из отбеленного чугуна
479
Составы чугуна, рекомендуемые для легированных отбеленных валков
ДР дает уменьшение твердости ло Шору с 85 до 75. Уменьшение твердости
вменяется переходом мартенситной структуры в троосто-сорбит ную с коа-
ртяцней карбидной составляющей. Отжигу обычно подвергаются только
[ей к и валка, для чего Сонки обкладываются защитным покровом (книпн-
ами).
Малоуглеродистые падки (табл. 43) подвергаются отжигу при более высо-
эй температуре (800—850"} с целью выравнивания состава; затем следует
Йстрое охлаждение до 300—ТОО", сфероидизация при температуре ниже
ритической и снятие напряжений при 400—450°.
Следует указать, что механическая обработка легированных валков
рлыиой твердости вызывает значительные затруднения, При этом прихо
Sic я либо пользоваться очень малыми скоростями резания (около0,75 MiMUH),
1с. 305. Влияние никеля н хрома
твердость валков и глубину Рис. 307. Вид излома двухслоц-
отбела ного валка
бо ограничиваться только шлифовкой, что удорожает стоимость валков
(За большого расхода карборундовых кругов.' Поэтому твердость валков
(должна превышать разумного предела, тем более, что она достигается
|вчно высоким содержанием углерода, понижающим прочность отливки,
' г) Двухслойные валки, Задача получения точной
Убины отбела и вязкой сердцевины выдвинула различные спо-
ры производства двухслойных валков (рис. 307). С этой
&ьго применяют разные по составу чугуны для наружного
брдого слоя и внутренней мягкой сердцевины,
Що одному из существующих способов в кокиль заливают малокремнистый
|ун, вследствие чего он затвердевает белым. Когда застывший иоверхност-
И слой приобретает достаточную толщину, жидкий металл выпускается
рез особое отверстие, а форма через прибыль заполняется чугуном с боль-
$М содержанием кремния. Таким образом, можно получить желательную
|Рдость поверхностного слоя (применяя легированный белый чугун) и ш-об-
Димую вязкость ядра, заливая его чугуном илп сталью соответствующего
lira на.
'По данным А. С. Бсшлыка, на одном нз наших заводов отливают легп-
данные двухслойные валки согласно схеме рис. 308.
480
Отливки из чугуна
Легированный чугун заливается сифонным способом до появления жидко-
го металла а сливном жолобе (время заливки 7,5 т валка составляет 30—
35 сек, ррл температуре металла около 1270°). Через некоторое время'
после конца заливки, когда образуется уже достаточный по толщине отбе-
ленный слой, начинают промывку формы мягким металлом в течение 3—
5 мин, при температуре не ниже 1260°, Вытесняемый цз сердцевины легиро-
ванный чугун стекает в специальную изложницу. После окончания промывки
закрывают выпускное очко (60—70 мм диаметром), разбивают железными
ломами шлак на поверхности металла в шейке и заполняют форму сверху.
При этом применяется следующий состав чугуна:
С, % SJ, % Мл, % Р, % S, % Nt, « Сг. % Мо, %
Легированный
чугун........ 2,8—3,6 0,4— 0,7 0,5—1,0 До 0,5 ДоОд 3,5—4,5 0,=—4,7 0,3—0,4
Мягкий чугун 3.2—3,4 0,4—0.6 0.3—0,7 Цо 0,5 До0,1 1,5-2,5 0,2—0,4 0,1—0,2“
Опыт показал, что содержание никеля не
иначе легко образуются волосяные трещины на
Рис, 308. Способ отливки двухслойного валка
должно превосходить 4,5%,
поверхности валка. Тому ж;>
способствует окисленность
металла, высокий перегрев
его (выше 1400°) и пороку
на поверхности кокилей.
Оба способа изготовления
двухслойных валков стра-
дают тем недостатком, что
требуют большого расход;;
жидкого и к тому же еще
легированного чугуна э.
По другому, более эко-
номичному способу отбе-
ленную чугунную рубаипы
бочки валка отливают от-
дельно, затем устанйвлив;'-
ют в специальной форме,
нагревают индукцношнлч
способом и после этого за
лидают ее внутреннюю по-
лость и шейки мягким ме-
таллом. Двухслойные вал-
ки можно также изготовить
центробежным способом, от-
ливая сначала твердый бан-
даж, а затем заполняя его
мягким металлом,
В последнее время по-
лучили применение так на-
зываемые составные
валки, Бочки таких вал-
ков изготовляются из бело-
го чугуна отдельно, без ше-
ек, а затем путем горячей
посадки или запрессовки
i Время выдержки зависит от размеров валка и глубины отбела н мо-
жет колебаться от t до 12 мин,
2 Содержание никеля, хрома н молибдена в сердцевине возможно за счсг
насыщения от наружного слоя.
з Был предложен также способ отливки двуслойных валков путем уста-
новки в форме разделительной трубы. Однако, этот способ не дал удовле-
творительных результатов.
Отливки из отбеленного чугуна
481
задеваются на стальные оси. Эти валки применяются при больших давлениях
;В в тех случаях, когда шейка валка имеет малый диаметр и недостаточно
прочна при изготовлении из чугуна.
В некоторых случаях для увеличения прочности полировочных валков
утя полосового железа их армпруют при отливке стальными стержнями.
д) Валки с перлит о-г рафитной или п е р л и то-
цементит о-r рафитной "*
'ладкие
стр у к т у р ой; Такие валки,
п калиброванные, отливаются либо в песочно-глинистые
iE
Рис, ЗС19. Применение кольцевых кокилей для уплотнения струк-
туры полутвердых валков (а) и влияние толщины кокилей (б) и
слоя обмазки (в) из структуру и твердость чугуна
Я
^ормы с применением холодильников, либо в кокиля, покрытые
^лстым слоем обмазки, В качестве холодильников в песо-шо-
1ИНИСТЫХ формах применяются железная арматура или кольне-
ые кокиля, расположенные внутри формовочной смеси
рис. 309, а).
t Заг_ 805
482
Отливки ив чугуна
В зависимости от количества арматуры (20—30% от объема формовочной
смеси), то..иц||:ц,[ кокилей и ИХ обмазки сосгюетст.тоощнм образом меняется
охлаждают.ci е.1|ос<)биости формо. А. Г,. Кривошеев показал, что чем больше
тол ниц । л к< । к или (рис. ЗОЯ. б) и меньше тшпцшш ... (рис. ЗОН, и), тез;
больше 1-ДуиШШ слон с 1 юш.1 нК‘11нЬ1 м 11 НЛОГИОСТЫ!) И ТЩр.щЩТЫО. Поэтому на
нонерхност-п кокилей, образующих <1тпетсти(чшио мыта палкой (виадипн:
РУШеп), наносят слой обмазки толщиной 1,0-.-1,0 _млг, а щ, кокили, форми-
рующие быконие и наружные части буртош — толщшюн .1--Ю Ml (и слое
обмазки должны быть лапы пентиляциоины<? каналы но НзЛщкание образо-
вания газовой пористости). Во всех этих случаях настоящего отбела не по-
лучится, ио чугун становится более плотным, твердым н мтокозернистым
по структуре.
При этом способе производства валки имеют твердость
200—350 Н!} и применяются для прокатки профильного металла:
швеллеров, балок, уголков и т. д. По весу- и размерам они
часто превышают отбеленные. Размеры между шейками доходят
до 4,5 м, а диаметры бочки— до 1,2 м. Вес достигает 25—30 г
в черновом виде.
Состав чугуна для валков колеблется в широких пределах
и зависит от типа прокатываемого профиля и назначения валка
(табл, 44).
При отливке в песочные формы повышают содержание мар-
ганца в чугуне и понижают содержание углерода и фосфора во
избежание развития ликвации. В противном случае образуются
светлые включения и темные рыхлые пятна, представляющие
скопления тройной фосфпдиой эвтектики с. той пли иной сте-
пенью распада цементита.
При легированин чугуна хромом, никелем п молибденом
достигается увеличение износоупорности калибров н удлинение
срока службы валков.
Отдельную группу составляют частично отбеленные валки,
отливающиеся в глину, с отбеленными готовыми ручьями (для
мелких и средних размеров). Небольшие калиброванные валки
(400—600 мм) ллп мелких профилей, в которых ручьи вытачи-
ваются, также изготовляются частично отбеленными: часть боч-
ки заливается в кокиль, а другая часть — в глиняную форму.
с) Характерные виды брака валков и меры
борьбы с ними. Основными требованиями технических
условий па валки являются: 1) определенная глубина отбелен-
ной и переходной зон, 2) наличие плавного мелкозернистою-
перехода от одной зоны к другой, 3) определенная твердое и
бочки, 4) определенная прочность палка, 5) отсутствие отбо.:ы
на шейке валка, 6) отсутствие порогов в виде раковин, тршпш;.
г):111 n,ei"i, лпкиациопш.ю скоп.тоинй, и ритора, 7) точность размеров 1
t 1 Гоищишс Глубищ.! OtOi'.TI |1[1О|ГШ'1;1ПН-5[ Щ) обработшшому торцу бЧЧКК
ИТОШ1. ТгсиД'-шть бочки измерит ТО ‘.к.тщюищиом Шарц (.щ бошо.') паи прет
еом Ьи 11:1г.Iя С,;1 Ы.ццщ.иших ц.ч толка обрщщах}, Пропшь/ть толка про;
ряетея г. жтолтотацш.шиы:! \ч-.г(оиы:\-
484
Отливки из чугуна
Наибольшие трудности при производстве отбеленных валков
представляет борьба с продольными и поперечными трещинами
в поверхностном твердом слое.
После образования отбеленного слоя начинается его интен-
сивная усадка. Кокиль, наоборот, вследствие нагрева расширяет-
ся, и между валком и кокилем образуется зазор. Гидростатиче-
ское давление жидкого металла и давление от расширения серых
слоев валка при их затвердевании могут вызвать образование
продольных трещин в отбеленном слое. Для борьбы
с этим (и с газовой пористостью) рекомендуется быстрая за-
ливка (1 т в 2—5 оек.) при умеренной температуре (~ 1250°).
При этом наружный слой получается достаточной толщины и в
состоянии выдержать производимое на него давление. Кроме того,
рекомендуется поддерживать прибыль в жидком состоянии с тем,
чтобы расширение серой части валка происходило за счет по-
вышения уровня металла в прибыли и чтобы давление на отбе-
ленный слой было ослаблено. Для сохранения прибыли в жид-
ком состоянии до полного затвердевания валка рекомендуется
ее искусственное отепление. С той же целью необходимо поддер-
живать содержание фосфора в чугуне на должном уровне
(до 0,5%). При этом уменьшается усадка валка, повышается
жидкотекучесть чугуна и уменьшается опасность образования
трещин.
Чем меньше общая глубина отбела и резче его неравномер-
ность, тем слабее наружная оболочка валка и тем легче про-
исходит образование продольных трещин. Поэтому особенно
важно обеспечить получение равномерного отбела определенной
глубины, что зависит от ряда условий производства: от чистоты
внутренней поверхности кокиля, отсутствия на ней изъянов, рав-
номерности покраски и т. д. Небольшие трещины или риски па
кокиле, местные утолщения или подтеки краски уже изменяют
условия теплопередачи и могут вызвать неравномерный отбел
и образование продольной трещины. Чистку кокилей (стальны-
ми щетками) следует поэтому производить до блеска и полного
устранения всех наплывов и подтеков. Трещины в кокиле необ-
ходимо тщательно зачекапить, причем эту операцию не реко-
мендуется заменять замазкой. Окраску внутренней поверхности
кокиля лучше всего производить путем пульверизации.
Причиной образования поперечных трещин является
торможение усадки по длине валка, главным образом, в первый
период затвердевания. Поэтому надо принимать меры для обес-
печения беспрепятственной усадки валка по его длине. В част-
ности, следует избегать, где эго возможно, составных кокилей,
так как поперечные швы и заливы препятствуют усадке но оси
валка. Точно так же стык между кокилем и формой шейки
Отливки из отбеленного чугуна
485
1,
должен быть тщательно замазан для предупреждения образо-
вания зализов, задерживающих усадку. С этой же целью форма
для верхней цапфы делается иногда подвижной (рис. 303,6).
Для этого ее укрепляют специальными деревянными стойками,
которые выбивают после заливки, чтобы они не препятствовали
усадке.
Если не применяются надлежащие меры, получаются трещи-
ны различной величины в зависимости от времени их образова-
ния после заливки. Большие трещины достигают по ширине
и глубине 30 мм и более. В этом случае валок приходится бра-
ковать. Если же трещина невелика и удаляется при обточке или
оставляет только следы в виде волосяных трещин, то валок
может быть пущен в работу.
Частым видом брака являются также раковины, главным образом, на
бочке валка, Раковины газового происхождения располагаются одиночно
в глубоких слоях н являются обычно следствием плохой просушки форм или
низкой температуры и недостаточной жидкотекучести чугуна. Поверхностные
। же раковины, расположенные в виде скоплений, оказываются чаше всего
следствием небрежной подготовки кокилей (плохое состояние внутренней по-
верхности кокиля, ржавчина, влажные стенки кокиля и т, п),
Распространенным видом ликвационных скоплений являются светлые
и темные пятна площадью 50—100 *к!. Борьба с ними ведется путем
уменьшения содержания углерода и фосфора в чугуне и ускорения охлаж-
дения валков.
Недостатки отбела (малая или чрезмерная глубина, недостаточный пере-
ходный слой, неравномерный огбе.т) объясняются неточностью и неоднород-
ностью состава металла. Неравномерностью покраски кокиля и его темпера-
туры и другими отступлениями от принятого пронззод.ственцого процесса
Для контроля состава металла при выпуске его из печи приходится огливат:
технологические пробы
ва отбел (например,
бруски толщиной Зо или
1'40 мм). По величине
^отбела на этих пробах
^Можно судить об отбеле
(на валках (рис. 310)
Наружные или вну-
•’тренпие усадочные рако-
Вины являются след-
’’Ствием недостаточных
«прибылен иля недостат-
£мов доливки и качания.
' Хрупкость и отслаи-
-----1-----1-----1_____j-----1-----1-----1-----1-----L
?<? 25 30 35 ЬО 50 51
Отбел np<j65 мн
ванне отбеленного слоя в
процессе работы объяс-
няются обычно недоста-
точной толщиной пере-
Рис. 310, Соотношение между отбелом на
пробе л на валке при плавне в вагранке и
пламенной печи
ходного слоя, Одц а ко _ . „
отслаивание может произойти и от иеправр.’п-пои эксплоатании валков, чаи
всего отслаивание наблюдается в валках, охлаждаемых водой- Чередующие
1 Метод точного определения параметров отбела валков по данным отбе
- проб разработан в последнее арена А. Е, Кривошеевым, но является ели
ком сложным для изложения в данном курсе.
486
Отливы из чугуна
нагрев и охлаждений образуют в отбеленном слое трещины. которые,
в конце концов приводят к отслаиванию. Надлежащая аксплоатация, пре-
дохранение от резких изменений температуры, pars номерное охлаждение
водой без остановок валка в перерывах между прокаткой в значительной
степени предохраняют от отслаивания.
По размерам валки должны соответствовать чертежу, причем колебания
по диаметру не должны превосходить ±1%, а по длине +2%, Эю требует
точных приемов формовки, а также знания величины литейной усадки. По
следняя находится в прямой зависимости, от глубины отбела:
глубина чистого отбела,.«-«.......... 40—SO >S—7
Усадка, % ..................... '.',7 1
Усадка бочки обычно неодинакова по диаметру и высоте — валки полу-
чаются часто овальными (разница в диаметрах по 2 хм; и уширенными
в верхней и нижней частях (так называемые «подошвы» с разницей в диа-
метрах до 7 лл«). Образование верхнего уширения происходит благодаря
наружной усадочной раковине, а нижнего — вследствие гидростатического
давления.
Большим злом для прокатчиков являются поломки валков. Если валок
имеет слишком большую глубину отбелен еЮго слоя или отлит из высокоугле-
родцетого чугуна с целью получения большой твердости, поломка объясняет-
ся низкой прочностью отливки. Однако во многих случаях определить при-
чину поломки затруднительно. Частыми причинам.» аварий с валками явля-
ются неправильные условия эксплоатании, резкая перемена температуры
в цехе при горячей прокатке (например сквозняки зимой), неравномерный
нагрев валка перед пуском его в работу, местное интенсивное охлаждение
водой.
Поломка бочки или шейки не исправляется. Если же нмом произошел
по трефу или частично захватил шейку, то порок можно исправить литейной
сваркой. Для этого шейку срезают /не ближе 100 мм от бочки). ставит
валок вертикально в литейную яму, Прогревают место среза Докрасна кок-
сом, окружают верхнюю шейку формой с отверстием для слива металл?
и льют горячий чугун. Когда шейка оплавится, запирают сливняк и запол-
няют форму жидким чугуном. Такой способ рентабелен только в случаях
приварки шеек па крупных валках, так как требует большой затраты ме-
талла и рабочей силы.
3. ВАГОННЫЕ КОЛЕСА
Чугунные колеса с отбеленным ободом характеризуются ря-
дом весьма интересных свойств: 1) малым износом гребня ко-
леса и рельсов, 2) большим коэфициентом трения между колесом
и колодкой тормоза, 3) равномерным износом по окружности,
вследствие чего сохраняется круглая форма обода. В связи
с этим чугунные колеса в значительной степени вытеснили
теперь стальные, главным образом, в товарных вагонах,
а) Особенности производства колес с отбе-
лен л ы м о б о д о м. Собранная форма колеса изображена
в разрезе ка рис. 311. Поверхность катания колеса образуется
кокилем, скрепленным с верхней опокой.
Рабочая поверхность кокилей покрывается слоем пасты для
создания гладкой и плотной поверхности катания на колесе
Отливки из отбеленного чугуна
487
, и предохранения от термических ударов при заливке, Обычно
^ применяется паста, состоящая из глины, просеянной через сито
100 меш (6,5 л), машинного масла (2,5 л) и керосина (1,0 л),
«моющая консистенцию сметаны. При заливке паста воспла-
ьменяется, причем продукты горения образуют газовую прослой-
|’ку между жидким металлом и кокилем, что предохраняет от
|ирнваривания и препятствует быстрому охлаждению наружной
икорки в первый период ее формирования.
1Рис. 311, Схема формовки чугунного колеса с отбеленным ободом
1|
№ Заполнение формы производится через кольцевой щелевид-
иый питатель шириной 6—7 мм. Заливка производится из стопор-
кого ковша в течение 12—13 сек. при температуре 1300—1330°.
Колее высокие температуры приводят к образованию трещин,
Колсе низкие —к раковинам1.
Е Состав чугуна для колес с отбеленным ободом колеблется,
№ след тощих пределах:
| С,% Si% Мп.% Р,% 8,%
F 3,0-3,7 0,55-0,70 0,5—0,6 ДоО.З До 0,14
И"»
i Этот состав должен обеспечить получение слоя чистого
Ьтбела глубиной 13—30 мм 1 и плавный переход от отбеленного
К1лоя к серой сердцевине. Корректирование глубины отбела по
L----------
г„ 1 Пользуясь небольшими присадками теллура, бора, селена, можно умели-
Иивать глубину отбела в валках и вагонных колесах. Для уменьшения велн-
1'чины переходного слоя и повышения прочности отбеленных колес М. М. До-
рбротворскнп рекомендует прибавку в чугун смеси железа и грпФнтд (0,5г
железа и 450 г графита).
488
Отливки, из чугуна
пробному бруску (38 X 160 мм против кокиля 38 X 160 X 75 мм)
производится путем присадки в ковш ферросплавов, теллура,
графита1 и т. д. Излом серной части должен быть плотным
и мелкозернистым. Если состав чугуна не соответствует техни-
ческим условиям, колеса бракуются.
Инспектирование колеса состоит из: 1) наружного осмотра
и поверки размеров, 2) взвешивания, 3) ударного испытания,
4) термического испытания, 5) поверки глубины отбеленного
слоя и регламентируется ГОСТ.
Все колеса обмериваются по окружности. Длина окружности не должна
давать отклонений в ту или другую сторону больше 8 мм, причем в преде-
лах допускаемых отклонений все колеса делятся на 5 размерных групп
и обозначаются соответствующими номерами. Поверхность колеса должна
быть ровной я свободной от шлака, песочин, утяжин, пузырей, вздутия,
отпечатков неровностей от кокиля или других дефектов. Поверхность ката-
ния и место перехода ее в гребень должны быть гладкие. Несоответствие
нормальному весу допускается в пределах 2%.
Ударнее испытание производится следующим образом, Колесо распола-
гается на трех опорах ребордой вниз. Удар бойка весом в 112 кг с высоты
около 4 м направляется в центр ступицы. Нужно, чтобы при 12 таких уда-
рах колесо не сломалось, После первых 9 ударов колесо не должно обна-
руживать никаких трещин.
При термическом испытании колесо кладется в песок ребордой вниз,
вокруг него делается канал шириной 75 мм и глубиной 100 мм. Канал за-
полняется горячим чугуном. По истечении 6 мин. колесо не должно давать
трещин. Таким испытанием имитируется торможение.
Колеса, выдержавшие испытания на удар н термостойкость, разбиваются
таким образом, чтобы была возможность определить глубину отбела чугуна
не менее чем □ четырех местах.
В случае, если колесо не отвечает техническим условиях ударного и тер-
мического испытаний или глубина отбела не укладывается в указанные выше
пределы, вся контролируемая партия колес бракуется. Условия приемки
колес являются, таким образом, весьма жесткими, и поэтому производства их
требует опыта и высокой технической культуры.
б) Характерные виды брака колес с отбелен-
ным обоДом и меры борьбы с ними. Главными и наи-
более специфическими видами брака при производстве колес
с отбеленным ободом являются горячие трещины на по-
верхности катания, реборде и в ступице. Трещины на поверхно-
сти катания располагаются обычно поперек окружности, парал-
лельно оси колеса. Их образование обязано, как в случае отбе-
ленных валков, неравномерной толщине отбеленного слоя. Уча-
стки белого слоя, имеющие разную толщину, дают различную
усадку, что влечет за собой образование скалывающих напря-
жении, способных вызвать трещину иа поверхности катания
в месте перехода от глубоко отбеленного слоя к тонко отбе-
ленному. Неравномерность отбела обусловливается состоянием
кокиля, характером и составом смазки. Поэтому тщательным
наблюдением за кокильным парком и правильной смазкой коки-
Отливки из отбеленного чугуна
489
лей можно уменьшить опасность образования этого вида брака.
Кроме того, следует отметить, что образованию горячих трещин
способствует окпслошюсть металла, повышенное содержание
серы, низкое отнощеппе Мп : S, недостаточное содержание фос-
фора и высокая температура заливки, ведущая к увеличению
И без того высокого перепада температур.
Мелкие трещины получаются, главным образом, от заливов
(заусениц) на реборде колеса в плоскости разъема формы.
Такие заливы образуются вследствие недостаточно тщательной
отделки кромки реборды.
Все это следует учитывать при борьбе с горячими трещинами
на колесах с отбеленным ободом. При этом необходимо иметь
правильный состав чугуна, тщательно изготовленную форму
и надлежащую температуру заливки (около 1300°). Кроме того,,
полезна установка специальных усадочных ребер на внутренней
поверхности ступицы.
Температурный перепад, образующийся в колесе в процессе
затвердевания,
Так, например,
Ние температур
сохраняется и при последующем охлаждении,
в отливке наблюдается следующее распределе-
при выбивке:
Ступица Диск Обод
1040° 840° 650°
Поэтому охлаждение колес на воздухе со скоростью
,5—2,0 °/мин, вызывает образование больших термических
а пряжений. Чтобы избежать этого, отливки погружают в печи
ля медленного охлаждения. Выбивка производится через
час после заливки при 750 и 800°, Горячие колеса передаются
специальные колодцы и выдерживаются там сутки при 500—
80°. Через сутки отливки перегружаются во вторичные колод-
я, где температура поддерживается в пределах 250—350°, еще-
рез сутки—в третичные, где они выдерживаются 7—8 час.
ри 50—100°; после этого они поступают на медленное охлаж-
дение на плац в течение суток. Такой режим охлаждения
©лес обеспечивает получение минимальных напряжений
повышенных значений прочности и ударной вязкости.
Недостатки отбела обусловливаются несоответствием химиче-
кого состава шихты, условиями заливки, отжига или пороками
а кокилях. При некачественной пасте (плохое смешение, рас-
лоеппе) на отбеленной поверхности образуются газовые ра-
овины (ситовины).
Остальные виды брака (шлаковые раковины, песочины. -ia’
оры, распор, перекос, недолив, пригар и т. д.) устраняются,
терами, общими для всех видов литья.
4П0
Отливки из чугуна
ГЛАВА IX
отливки ИЗ КОВКОГО ЧУГУНА
Высокие механические свойства ковкого чугуна, наряду
с хорошей обрабатываемостью, являются причиной того, что
этот чугун нашел значительное применение в машиностроении,
Рис. 312, Характерные отливки
из ковкого чугуна’.
а — «'Т.’Игпкл cejibtKojLq'jsfleTUC'iiiFi.iri) шит^но-
crpnciiiffl; в —> Фитпшп h армлтура: * —
ot;;<ifiKci мисимпСидьиосо траленортпогп ма-
tmtuocTcxjuMiHY
преимущественно для мелко-
го и тонкостенного литья:
фитингов, арматуры, частей
сельскохозяйственных, тек-
стильных машин, автома-
шин, танков, тракторов, ва-
гонов и т, д. (рис, 312),
В зависимости от того,
что протекает главным об-
разом в процессе отжига
белого чугуна — графитиза-
ция или обезуглероживание,
различают два вида ковкого
чугуна: черносердеч-
ный и белосердеч-
н ы й.
В обоих случаях, по су-
ществу, происходят оба
процесса, только в одном
случае преобладает графи-
тизация, а во втором —
обезуглероживание. Поэто-
му отливки, полученные по
обоим способам, имеют сна-
ружи ферритную корку, но
разной толщины: до 0,5 мм
в черносердечном ковком
чугуне и до нескольких
миллиметров в белосердеч-
ном ковком nvrvne (рис.
313).
Зя ферритной коркой
содержание: углерода в от-
ливках из черносердечного
ковкого чугуна быстро воз-
растает it достигает пехот
кого, в то время как в
белосердечном ковком чу-
гуне содержание углерода в отливках возрастает медленно
и даже в центре не достигает исходного значения
Отливки ив ковкого Ч!/г<1Нв
491
Рис. 313. Структуры черносердечного (аги белосердечного (б) кон-
кого чугуна (X 100)
Рис. ЗЬЗ. Видi,i излома ковкого чугуна до и после от-
жига;
л — дп птжпгл; б — Ш2р11П£срясч-('1,сй кликни uyryit; в —. белен
с&рдеч>П4Л чуг>'»г, г -- 4<?pjiOCcp.v-iiiM'r К'Я'КнЛ ’Ч'1'Ук с Сплыло
pajISlCXCrtt белой 4>6ea.yj ЛС^чПНаЛ1 цлймоЛ
. Оба вида ковкого чугуна различаются также по излому
рис. 314). Черносердечный ковкий чугун имеет темный барка-
истый излом, с большей или меньшей обезуглероженной свет-
492
Отливки, ив чугуна
лой каймой. Белосердечный же ковкий чугун характеризуется
блестящим светлым изломом благодаря большому развитию про-
цесса обезуглероживания и малому количеству углерода отжига.
Различия в изломе и структуре обусловливают различия
в механических и физических свойствах обоих Ридов ковкото
чугуна.
Вследствие ферритной структуры и округленной формы угле-
рода отжига черносердечный ковкий чугун отличается высокой
пластичностью и отличной обрабатываемостью при средней
прочности. В тех случаях, когда необходимы высокие значения
прочности, твердости и износоупорности, получают особый вид
черносердечного ковкого чугуна с перлитной структу-
р о й, обладающий, однако, более низкой вязкостью.
Белосердечный ковкий чугун характеризуется неоднородной
структурой. За ферритной коркой в этих отливках следует феп-
рито-перлитная зона, переходящая иногда в чисто перлитную.
При этом количество углерода отжига даже в центральной зоне
весьма ограничено. Такая структура обусловливает большую
прочность, но и пониженную пластичность, в особенности в тол-
стых отливках. Тонкостенные отливки вследствие сильного
обезуглероживания характеризуются высокой пластичностью.
В связи с этим зависимость физико-механических свойств бело-
сердечного ковкого чугуна от толщины отливок оказывается
значительно больше, чем у черносердечного ковкого чугуна.
Белосердечный чугун имеет ограниченное применение, и то
только для тонкостенных отливок (от 3 до 15 мм). В настоящее
время он все больше и больше вытесняется черносердечным
ковким чугуном, который имеет ряд технических и экономиче-
ских преимуществ и может применяться для отливок с толщиной
стенок до 40-—50 мм. Однако, и при черносердечном ковком
чугуне увеличение толщины стенок отливки затрудняет полу-
чение чисто белого излома и затягивает процесс отжига. По-
этому оба способа производства ковкого чугуна применяются
преимущественно для небольших и сравнительно тонкостенных
отливок весом от 0,1 до 25 кг и в редких случаях до 50 кг.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОВКОГО
ЧУГУНА
Основным процессом получения черносердечного (ферритно-
го н перлитного) и белосердечного ковкого чугуна является
отжиг, при котором происходят графитизация и "обезуглерожи-
вание отливок.
а) Получение черносердечного ферритного
ковкого чугуна!. Целью процесса отжига в этом случае
является графитизация, принципиальные положения которой
Отливки из ковкого чугуна
493
. подробно рассмотрены в гл. I и II. Как видно из рис. 24, отжиг
(черносердечного ковкого чугуна состоит из пяти этапов: 1) на-
[грева, 2) выдержки при температуре выше критической (первая
стадия графитизации), 3) промежуточного охлаждения, 4) вы-
держки при температуре ниже критической (вторая стадия грл-
|'фитизатги) и 5) окончательного охлаждения.
’ Первая стадия графитизации проводится обычно при темпе-
ратура!» 900—1050° в течение времени, необходимого ДЛЯ полно-
го распада структурно свободных карбидов и установления ста-
бильного равновесия. В промежуточной стадии графитизации
(отливки охлаждаются с определенной скоростью, величина кото-
рой практически зависит от конструкции печи, так как процесс
Еграфитизации протекает здесь достаточно быстро, После окон-
(чания промежуточной стадии начинается вторая стадия графи-
тизации, Опа может быть проведена различными путями, как
(это показано на рис. 315.
I Первый путь заключается в сравнительно быстром прохождении крити-
ческого интервала с образованием перлита и с последующим распадом его
/Карбидов во время второй выдержки (рис. 315, а).
: Второй путь заключается в прохождении критического интервала с такой
(скоростью, которая не нарушает стабильного равновесия (рис. 315, 5). В этом
| Критический интервал
1 ы температур
5
i врем? Время
I s
Г Рис. 315. Принципиальные схемы отжига черносердечного ковкого чугуна
’ во второй стадии графитизации
Критическим интервал
температур
Бслучае выделяется феррит без промежуточного образования перлита. При
ртом свободный углерод кристаллизуется, главным образом, на существуга-
нцих выделениях углерода отжига без образования обособленной структурной
кеоста iwiHioiiiuii.
в Третий путь проведения второй стадии графитизации (ряс. 315, а) основан
[«а существовании в чугуне критического температурного иитерняла вслед-
ствие наличия других примесей (кроме углерода), В этом интервале (760—
Е720°1 находятся в равновесии (в разном соотношении — в зависимости от
494
Отливки из чугуна
температуры) Fe-f, Fe-a и свободный углерод. Поэтому возможен ступенча-
тый режим, при котором внутри критического интервала даются некоторые
выдержка для достижения равновесия при разных температурах.
% 'wnoEnwntbotij
Наконец, возможен еще четвертый способ проведения второй ст иди и гр'1’
фитпзашш. не имеющий, однако, практического значения и ocitrraniiiMii н;|
ко.'[ еба и । их температурь: около критической точки стабильной и та стабиль-
ной систем (рис. 315, г).
Отливка из ковкого чугуна
405
При понижении температуры ниже Тg из стабильного аустенита эвтекто-
идного состава (~0,7% С) выделяются по линии S'S (рис. Г) а-раствор
(феррит) и перлит (с содержанием углерода около 0,8%). При последующем
подъеме температуры мше 7%' перлит образует твердый раствор, а феррцт.
вследствие кратковременности выдержки, в очень малой степени, успевает
растворить свободный углерод. Так как концентрация углерода в стабильном
аустените ниже, чем в мета ст а би л ином, то из образовавшегося аустенита,
находящегося в соприкосновении с углеродом отжига, выделяется свободный
углерод (в размере 0,8—0,7 — 0,1 %). Таким образом, при каждом пониже-
нии температуры ниже Т$ выделяется а-раствор, а при подъеме темпера-
туры выше Тs' выделяется углерод отжига, т. е. идет процесс графитизации.
Однако, полной графитизации при этом достичь нельзя, так как количество
выделяющегося из мета стабильного аустенита углерода отжига постепенно
уменьшается и через некоторое время становится равным количеству угле-
рода, переходящего в раствор феррита. Дальнейшая и полная графитизация
может быть достигнута колебанием температуры около метастаСильной кри-
тической точки, что ведет к образованию зернистого перлита, а затем к его
раеп аду.
Во всех случаях в итоге второй стадии графитизации полу-
чается ферритная структура, и последующая скорость оконча-
тельного охлаждения почти не отражается уже на структуре
ковкого чугуна.
Скорость графитизации, а следовательно, и время, необходимое
для ее завершения, зависят от ряда факторов, определяющих:
1) устойчивость карбидов, 2) число центров кристаллизации,
3) скорость диффузии, Такими факторами являются: темпера-
тура процесса, состав и первичная структура чугуна, происхож-
дение исходных материалов, тепловая обработка чугуна и т, д.
Исследования автора показали, что повышение температуры
первой стадии графитизации на 50° уменьшает время отжига
... примерно в два раза (рис. 316).
[• т_. 9 50 - (160)
L т— ио 4
ь.где т — время, необходимое для графитизации при любой тем-
l пературе О
Е т0 — время необходимое для графитизации при какой-то
температуре t0,
i Таким образом, если известно время т о Для какой-то тем-
( пературы то можно найти необходимое время для любой
[ другой температуры. Зияя закономерность изменения скорости
J графитизации с температурой, можно также подсчитать необхо-
димое время выдержки с учетом периодов подогрева и охлаж-
дения, как это показали В. КухарскиЙ н др.
Пусть изменение времени графитизации с температурой выразится какой-
то к риной (рис. 316, «), Тогда скорость графитизации представите и обрати oil
г,Привой (рис. 316, б):
' v = — - 100%,
, . т
496
Отливка из чугуна
Эта кривая показывает, какой процент всей графитизации завершается за
1 час при любой температуре. Если далее задана температурная кривая от-
жига козкого чугуна (ABCD на рис. 316, в), то, приняв, что графитизация
практически начинается с температуры выше 800°, мюкпо определить сте-
пень графитизации за весь цикл отжига, включая периоды нагрева и охлаж-
дения.
Действительно, любому моменту отжига соответствует какая-то темпера-
тура, а следовательно, н определенная скорость графитизации. Поэтому, если
отложить соответствующие скорости графитизации для отдельных моментов
отжига на рис. 316, в и полученные точки соединить кривой А'В'С'ЕУ, то
площадь этой кривой f vdz представит степень завершения графитизации
первой стадии за весь рассматриваемый период. Если режим отжига задан
правильно, то вся первая стадия графитизации должна быть полностью за-
кончена за указанный период времени и площадь AA'BJC'D'D должна рав-
няться 100%. Если эта площадь больше 100%, то время выдержки задано
излишне большим и его следует уменьшить. В противном случае, когда пло-
щадь AA'B'C'D'D меньше 100%, время выдержки следует увеличить, так
как в заданных условиях процесс первой стадии графитизации полностью не
завершится.
М Чем меньше скорости нагрева и охлаждения, _тем мдныве
[ |может быть и время выдержки. При очень медленном нагреве
Пи охлаждении необходимость'в выдержке при первой стадии
I графитизации может вовсе отпасть, тем более, что при этом
’ размельчаются выделения углерода отжига и ускоряется процесс.
Что касается второй стадии графитизации, то она может
.происходить только внутри и под критическим интервалом. При
. этом и здесь скорость процесса уменьшается с понижением тем-
пературы (рис. 317).
Влияние остальных факторов (состава металла, условий
первичной кристаллизации, предварительной закалки и т. д.) на
время графитизации ковкого чугуна
было детально освещено выше.
Отметим только, что для сокраще-
ния времени отжига целесообразно
повышение содержания кремния в чу-
гуне, хотя бы за счет соответствую-
щего понижения содержания углерода.
С той же целью необходимо соблюде-
ние правильного баланса между мар-
ганцем и серой и отсутствие в сколь-
ко-нибудь заметном количестве элемен-
тов, тормозящих процесс графитизации
(Сг, V). Процесс отжига может быть
сокращен также за счет модифициро-
вания (В, Л1), высокого перегрева чу-
гуна в жидком состоянии, прсдва-,
рителъной закалки отливок нз белого чугуна и предваритель-
ного низкотемпературного отжига при 300—350J в течение 5—
время, невбхоВамве для
завершения графигпиза-
* циа Пстадии, час
Pirc. 317. Зависимость вре-
мени отжига второй стадии
граФптизлиии от темпера-
туры и нодкрнтическом ин-
тервале
Отливки из ковкого чугуна
497
8 час. Эффективность последнего способа возрастает при предД
варнтельной прозув ко жидкого чугупа водородом. 1
Наиболее эффективным мероприятием по сокращению вре-
мени отжига является предварительная закалка отливок. Этот
процесс был применен для ряда деталей А. Д. Ассоповым
и В. Н. Прядиливым. При "этом для повышения механических
свойств ковкого чугупа необходимо вести отжиг при высокой
температуре. Однако, широкому распространению этого способа
препятствует образование напряжений и трещин в отливках из
хрупкого белого чугуна—поэтому он применим только для ОТ'
ливок простой конфигурации.
б) Получение черносердечного перлитного
и перлит о-ф ерритного ковкого чугуна. Перлитный
ковкий чугун представляет сравнительно новый конструкционный
материал. Он применяется в тех .случаях, когда нужны высокая
'прочность и износоупорность, хотя бы за счет понижения пла-
'стичности. В некоторых случаях, например для звеньев цепей,
понижение пластичности является даже преимуществом, так как
способствует сохранению величины шага. Получение такого
чугуна возможно как непосредственно во время отжига (за счет
режима отжига), так и путем
изменения состава
или
чугупа
.обивочной термической обработки готового ферритного ковкого
Угупа.
Изменение состава чугуна с целью получения перлитной или
[ерлито-ферритной структуры основной металлической массы
роизводится обычно за счет повышения содержания элементов,
репятствующнх графитизации (Мп, С г, Мо), чаще всего мар-
анца (сверх баланса с серой).' Состав чугуна может быть из-
менен также за счет уменьшения содержания элементов, способ-
гвующих графитизации перлита (С, Si). При этом, в зависи-
ости от степени торможения графитизации, можно получить
1мму структур основной массы чугуна от чисто ферритной до
ерлитной.
Подобное легирование, как показал И. Н. Богачев, можно производить
1кже с поверхности, нанося легирующий элемент в_виде пасты на поверх-
х:ть формы или производя отжиг в соответствующей руде (пиролюзит, хво-
ит и др.). В последнем случае легирующий элемент (№гг, Mo, Ст, W) аос-
анявливается и диф|)эундируст в поверхностную зону. Поэтому при таком
етиронлнии можно получить твердую перлитную корку п мягкую сердцеччг
у, ито важно для отливок, работающих на износ при ударных нагрузках.
Для получения черносердечного перлитного ковкого чугуп.ч
непосредственно при отжиге отливок необходимо более быстрое
рохождспис критического интерн ал а или мены пне выдержки
Фри температуре ниже критической, чем для полной графитиза-
Фии. Скорость охлаждения, обеспечивающая при этом перлит-
32 Зак. 805
498
Отливки ив чугуна
,ную структуру, зависят от состава чугуна и, колеблется от 50 до
i 100п/час. При этом быстрое охлаждение следует вести с высоких
. температур, когда в у-растворе находится не менее 0,7-—0,8% С.
Если же быстрое охлаждение начинать со сравнительно низ-
ких температур, близких к точке S' (рис, 1), то как бы ни была
велика скорость охлаждения, при этом неизбежно частичное
образование феррита, В этом случае структура чугуна состоит
из углерода отжига, окруженного ферритом на фоне перлита,
и носит название «бычьего глаза» (см, рис. 26).
Указанный способ получения перлитного ковкого чугуна пу-
тем изменения состава или режима томления может вызвать
практические затруднения, если количество отливок из перлит-
ного ковкого чугуна сравнительно мало по отношению ко всему
объему производства. В этом случае оказывается пелесообразнее
отжечь все отливки по обычному способу и потом нужную
часть их превратить в перлитный ковкий чугун путем дополни-
тельной термической обработки.
Такая термообработка производится при температуре выше
критической. При этом часть углерода отжига переходит
в 7-раствор, который в
зависимости от последу-
ющей скорости охлажде-
ния образует ту или иную
структуру. Количество
перлита и феррита в
структуре ковкого чугу-
на зависит при этом не
только от скорости ох-
лаждения, но и от дли-
тельности и температуры
выдержки, определяющих
насыщение твердого рас-
твора углеродом (см.
рис. 75).
Так как превращение
при указанной термиче-
ской обработке происхо-
дит прежде всего по границам зерен, то структура такого чу-
гуна состоит обычно нз феррита, окаймленного перлитом как
это видно из рис. 318.
При но пучении пер-чигноги ыч-к-ио чугун., „у ,..-м |срмической обрабшхп
возможно также образов;,ине перлита в одной только наружной корке с <и-
тамсыым неизменной ферритной структуры в центре отливки Такое строе-
ние можно получить либо путем кратковременного нагреты при срапнптелыю
испысокон температуре, при которой углерод отжига центральной части ас
успевает раствориться, либо путем тюперхнцстной электро- ити кцелородо-
ацетпленорой закалки, В обоих случаях должна быть предварительно уда-
лена обезуглероженная корка, не воспринимающая закалку
Рис. 318. Структура черносердечного пер-
литного чугуна, полученного термической
обработкой ферритного ковкого чугуна
Отливки из ковкого чугуна
494
Наконец, следует отметить, что при всех указаных способа)
производства перлитного ковкого чугуна возможно получение
; как пластинчатого, так и сфероидизированного перлита в зави-
. симости от режима термической обработки.
С целью получения чугуна со сфероидизированным перли-
1 том исходят часто из металла с повышенным содержанием
\ марганца — 1,0—1,2% (так называемый Z-металл). Марганец
i в этом случае препятствует распаду эвтектоидных карбидов,
' а длительная выдержка в подкрнтпческом интервале способст-
рвует их сфероидизации.
? При другом способе производства пользуются нормальным
^химическим составом для ковкого чугуна, но охлаждение после
Г окончания первой стадии графитизации ведут быстро (на возду-
хе или в масле) с последующим кратковременным отпуском
(в подкритическом интервале около 675° (такой чугун реклами-
руется за границей под названием «армастил»). По существу
;Же все эти способы приводят к получению перлитного ковкого
-чугуна со сфероидизированными карбидами, что обеспечивает
;высокую прочность и достаточную пластичность материала. Со-
ответствующие патенты не содержат, таким образом, секретов
уй основаны на обычных способах сфероидизации карбидов,
в) Получение белосердечного ковкого ч у г у-
II а. При производстве белосердечного ковкого чугуна парал-
лельно идут оба процесса: графитизация и обезуглероживание.
Однако, вследствие неблагоприятного для графпшгзации состава
чугуна и наличия окислительной среды (руды) процесс обезуг-
лероживания в данном случае имеет преобладающее значение
& является основной целью производства. В связи с этим
I. К- Чернов в своих знаменитых лекциях назвал это производ-
тво «получением стали децементацией».
В настоящее время установлено, что процесс обезуглерожи-
1ания идет через газовую фазу, являющуюся передатчиком
йслорода от руды к углероду отливки:
С + СОг=2СО,
СО 4- FeO = СОИ 4- Fe или СО 4- Fe3O4 = СО, 4- 3FeO.
Поэтому процесс этот идет с одинаковой интенсивностью как
случае, когда отливки имеют непосредственное соприкоснове-
гие с рудой, так и в случае, когда отливки полностью отделены
от окислительной среды (руды).
При этом процесс окисления углерода происходит на поверх-
йости отливки или на небольшой глубине проникновения газов
в отливку. Окисление же углерода внутренних слоев отливки
протекает за счет диффузии углерода от центра к периферии.
Таким образом, следует принять, что окисление углерода при
отжиге ковкого чугуна происходит в небольшой наружной зоне
32*
500
Отливки из чугуна
отливгж за счет реакций с окислительными газами* Естественно,
что при этом принципиально могут окисляться все виды
углерода: графит, углерод отжига, углерод карбидов и угле-
род раствора. Однако, практически процесс идет почти исклю-
чптелыю путем окисления углерода растнора. Действи-
тельно, н небольшой наружной зоне проникновения кислорода
п СО2 в отливку прежде всего окисляются имеющиеся там угле-
род отжига и карбиды, поело чего начинает окисляться углерод
твердого раствора. Это вызывает понижение концентрации угле-
рода в растворе, диффузию углерода из центральной зоны от-
ливки и соответствующее растворение структурно свободного
углерода (карбидов или углерода отжига). Таким образом, весь
процесс обезуглероживания внутренних слоев отливки идет
через твердый раствор.
Рассматривая условия отжига черносердечного и белосердеч-
ного ковкого чугуна, следует отметить, что при производстве
черносердечного ковкого чугуна между газовой фазой и угле-
родом может быстро установиться (вследствие отсутствия окис-
лителвной среды) равновесие, согласно реакции:
С + СО.,гД2СО, К = 1СО± .
‘ ICOJ
При получении же белосердечного ковкого чугуна газовая
фаза стремится к равновесию с углеродом отливки, с одной
стороны, и с окислами паковочного материала, — с другой сто-
роны:
С + СО2^2СО или Fe3C+COa^3Fe+ 2СО, (161)
FeO 4-COztFe + COa или Fe3O4 + CO ^3FeO + СО2. (162)
Таким образом, газовая фаза должна одновременно удовле-
творять константам равновесия обеих реакций:
[СО]’______Ргд<;_ _р х*
~ [СОа] ~~ Р(1 — х) ~~ 1 — х ’
[СО| Рх ____________ х
[COJ “ Р(1 — х) ~~ 1 —.г ’
(163)
(164)
где Р— абсолютное парциальное давление СО 4- СО?;
Л' — концентрация СО;
(1 - - х) — концентрация СО?.
Это возможно только при очень высоких давлениях - поэ-
тому практически такое равновесие не устанавливается, и про-
цесс обезуглероживания протекает непрерывно. Параллельно
и самостоятельно идет процесс графитизации (рис. 319).
Отливки из ковкого чугуна
501
Константы равновесия зависят от температуры, концентрации углерода
в растворе и характера паковочного материала, как это видно из известной
диаграммы равновесия Fe —С— О (рис, 320).
Первая константа (К,) зависит от абсолютного давления газов СО 4- СО?.
Вторая же константа (Л'?) от давления нс зависит, так как объем газов при
реакции (162) ие меняется.
Поэтому при данной темпе-
ратуре константа равнове-
сия с углеродом (К,) выра-
жается кривой АВ в коор-
динатах Р и х (рис. 321).
Эта кривая показывает, что
чем меньше парциальное
давление СО 4- СОг, тем
больше содержание СО
в газах в условиях равно-
весия. Константа же равно-
весия с железными окне-
лами представляется пря-
мой CD, характеризующей-
ся постоянным содержа-
нием СО в газах вне за-
висимости от абсолютного
давления СО + СОг,
Рис. 319. Изменение содержания углерода
в белосердечном ковком чугуне во время
отжига
Ряс. 320. Диаграмма равновесия Fe—С—О
' Очевидно, что одновременное равновесие с углеродом и рудой возможно
Только в точке пересечения АВ и CD, т. е. при одном определенной
парциальном давлении Р«. Это давление легко найти при совме-
стном решении уравнения (163) и (164):
Я. = к,^.
Определив по рис. Зад значения
к = »с°|'л к _К°1
' (CO.I 11 2 ICOJ •
(1бД
502
Отливки из чугуна
можно на основании уравнения (165) найти величины Ра ДЛЯ разных темпе-
ратур (табл. 45).
Таблица 45
Значение Ра для разных температур и концентраций углерода в твердом
растворе при равновесии с FeO (FeO + СО ~ Fe + COJ
Температу- ра, СС Насыщенный -раствор (-растьор е 0,6н С (‘раствор с 0»4И С
* № Fo , am '*'1 А'2 Ра , ат “1 Ро , ат
800 6,4 1,8 9,9 4.4 1,5 6,7 2,6 1,8 4,0
1000 48,0 2,3 68,0 2б,0 2,3 37,5 22,5 2,3 32,0
Из табл. 45 видно, что равновесие в условиях получения белосердечного
совкого чугуна не может быть достигнуто при высоких температурах (боль-
lie 800°). Это объясняется тем, что равновесное давление газов в горшках
для отжига в этом случае значительно больше атмосферного. Такое давле-
ние невозможно вследствие сообщения газов в горшке с газами в печи.
Поэтому равновесие может быть достигнуто только при низких температу-
рах (около 700°), когда равновесное давление газов близко к атмосферному.
Рис. 321. Условия равнове-
сия пазовой фазы с углеро-
дом и рудой:
I — область оосета1гйвлс1П1Я Же-
лозных охнелоз и ueMeirratViH
углеродом; П область окис-
ления железа н цементации Уг-
леродом; HI — область окисле-
ние железа и углерода! [V —
области и Ос становления железных
окпелоц и окисления углерода.
В условиях производства белосердечно-
го ковкого чугуна газовая фаза находится
в области IV (точка а на рис, 321), так
как эта область соответствует окислению
углерода и восстановлению железных
ок пело в.
Действительно, окисление углерода оп-
ределяется расположением состава газов
под кривой АВ, что вызывает направление
реакции в сторону повышения давления:
С + СО2->2 СО.
Восстановление железных окислов опре-
деляется расположением состава газов
справа от прямой CD, что вызывает на-
правление реакции в сторону уменьшения
процента СО в газах:
FeO + СО Fc СО2-
от условий равновесия (от-
ab и об) тем больше, чем
и чем окнелительпей
процесса
об [1411L’
центра
СО и СОг, вытесняющие воздух
как показывают Литературные да
Отклонение
резки ио или
выше температура и чем
паковочная среда. Скорость же
обезуглероживания определяется
скоростью диффузии углерода из
к периферии, которая является лимитирую-
щим звеном в общей цепи четырех про-
цессов (растворение, диффузия, окисление
и восстановление), В результате указанных
реакций образуются все новые количества
из горшка, так что через некоторое время,
- ..иные, устанавливается газовая фаза, состоя-
щая только из СО н СОа (рис. 322). Это изменение газовой фазы сопровож-
Отливки из ковкого чугуна
503
дается непрерывным обезуглероживанием отливок. Одновременно, как было
указано выше, идет процесс графитизации.
Скорости обоих процессов в сильной степени зависят от диффузии, а зна-
чит, и от температуры. Однако, пути диффузии углерода в обоих процессах
различны. Для графитизации этот путь определяется половиной расстояния
между зародышами, а для обезуглероживания — половиной толщины отливки.
Поэтому процесс обез-
углероживания длится
обычно значительно дель-
ше, чем процесс графи-
тизации, и степень обез-
углероживания (Со — С)
зависит от толщины от-
ливки (2R), коэфициента
диффузии (О) н време-
ня /(т).
Упрощая несколько
представление о меха-
низме обезуглерожива-
ния и принимая, что
лимитирующим звеном
в течение всего процесса
является диффузия угле-
рода, можно считать,
что в каждый момент •
в отливках существует
наружная зона х, в' ко-
торой отсутствует струк-
турно свободный угле-
род — карбиды и угле,
род отжига (рис. 323).
Рис. 322. Изменение состава газовой фазы в гор-
шке во время отжига:
— пр» производстве белосердечного капкога чугун*;
б — XifiW ')Ср»)0С(*рЛСЧ1)ОГО тонкого чугунл
,ерода на наружной поверхности отливки равной
нулю. На расстоянии х от края содержание углерода будет соответствовать
насыщенному аустениту при данной температуре .(С а ). Таким образом, сред-
ня
Няя концентрация углерода в зоне х составит — За этой зоной в оФ-
ливке будет следовать область у с возрастающим количеством структурно
свободного углерода и, наконец, зона z с содержанием углерода, равным
Исходному С о
По мере хода обезуглероживания зоны х и у будут постепенно продви-
гаться к центру. Количество окисляющегося углерода (dC) в любой элемент
времени (d • ) выразится уравнением:
dC = O— dx.
х
С другой стороны, это элементарное количество углерода определяется
исходя из уменьшения содержания углерода в зонах хну. Принимая для
простоты, что содержание учлеродя распределяется по Прямой линии, найдем
площадь заштрихованного на рис. 323 треугольника:
Сопоставляя два найденные значения dC, определяем:
2ОС“
xdx =------------- d т.
С2.
504
Отливки оз чугуна
Отсюда легко найти после интегрирования
обезуглероживания зон X и у;
время, необходимое для
(166)
Рис. 323. Схема 'распределения углерода
и отливке в процессе обезуглерожива-
ния
Степень обезуглероживания
(Со-С) ОТЛИВКИ ТОЛЩИНОЙ
2R при этом также легко
определить, исходя из рис. 323:
ff.(Co-C)- —^Со =
2
откуда, используя значение
из формулы (166) найдем
или
с0-с = -^ Vo
(С0-С)’Л«
т = ---------- .
DC-
'“О
(167)
Время, необходимое , для
процесса обезуглероживания
тем больше, чем меньше
коэфициент диффузии (D), чем
больше приведенная толщина
отливки (R) и степень обез-
углероживания (Со —С).
Практика н литературные данные показывают, что время
выдержки при отжиге увеличивается с понижением температуры
и с увеличением толщины отливки и количества углерода, под-
лежащего окислению (рис. 324).
х_ са со
1 Из рис. 323 видно, что-——-----------—- , откуда х + у = — эг, а значит
у Со — Са Са
г- 2
------Со —-------- -Г-
2 2СЯ
- Выведенная формула получена в результате ряда теоретических упроще-
ний. На самом деле процесс может быть сложнее. В литературе рекомен-
дуется следующая эмпирическая формула для определения времени обезуг-
лероживания: т = AR (Сп— С)ш,
где А п m — коэфициенты; R — половина толщины отливки, мм; Со — С -
уменьшение содержания углерода во время отжига.
Значения коэфицнентов А и m рекомендованы в следующих предел.)';
Температура, °C . . . 975 ? Ч . 1<Ю0
Л . . . 112 4,1*8
Я1 . 2.60 ’Л7Г,
10 >5
0,84
8,0
1 Оби
0,48
3,26
Однако пропорциональная зависимость между г и Я неправильна, кд;;
это видно нз формулы (167).
Отливки из ковкого чугуна
505
Рис. 324. Зависимость времени отжига белосер-
дечного ковкого чугупа от степени обезуглеро-
живания
Из рис. 324 и формул (166) и (167) видно, какое большое
влияние оказывают температура и толщина отливок на процесс
обезуглероживания.
Так как большинство элементов уменьшает скорость диффу-
зии углерода, то одновременно они затягивают процесс отжига
белосердечного ков-
(даго чугуна. Осо-
‘.бенно интенсивно,
Ьсак показывают ли-
Егературные данные,
Действуют кремний
Ьи сера. Влияние ос-
ЕТальных элементов
Ьсказывается, глав-
|цым образом, при
Вбольших содержани-
ях (рис. 325). Та-
ити м образом, с точ-
ки зрения процесса
обезуглероживания,
кля белосердечного
жовкого чугуна луч-
Кие всего пользо-
ваться металлом с
(Со—С), температуры н толщины отливки
325. Влияние элементов
Рис.
па процесс обезуглероживания ковкого
чугуна
примсссп, на что указано было ешс
1йнимал1>ным количеством 1.^______, _______ ....
Lпрошлом веке Д. К. Черновым. Однако, количественно влия-
ние всех элементов (за исключением углерода) на процесс
?безу1лероживания значительно меньше, чем на графитизацию.
506
Отливки из чугуна
Точность химического состава имеет для белосердечного ков-
кого чугуна меныпее значение, чем для черносердечного.
Наконец, некоторое влияние на процесс обезуглероживания
оказывают также составы окислительной среды и газовой фазы.
Очень слабые окислительные среды могут явиться причиной
торможения процесса обезуглероживания. В этом случае лими-
тирующим звеном становится уже не диффузия, а окисление
Рис, 326. Режим отжига белосердечного
ковкого чугуна в зависимости от содержа-
ния в нем углерода
углерода или восстанов-
ление железных окислов.
В обычных же условиях
контролирующим процес-
сом является диффузия, и
изменение содержания
СО2 в газах не оказыва-
ет влияния на кинетику
обезуглероживания.
Режим отжига бело-
сердечного ковкого чугу-
на значительно проще,
чем черносердечного.
В данном случае главную
роль играет выдержка
при высокой температуре с целью обезуглероживания чугуна.
Эта выдержка тем больше, чем выше содержание углерода
в чугуне и в толще отливки (рис. 326). Вторая же выдержка
в подкритическом интервале, характерная для получения черно-
сердечного ковкого чугуна (рис. 315), здесь не дается, так как
низкое остаточное содержание углерода в чугуне делает распад
эвтектоидных карбидов практически невозможным. Впрочем,
иногда применяется также процесс, сочетающий обезуглерожи-
вание и графитизацию. В этом случае отливки подвергают от-
жигу в окислительной среде, выжигают некоторое количество
углерода и затем ведут процесс со второй стадией графитиза-
ции для получения частичного распада перлита.
2.СОСТАВ И СВОЙСТВА РАЗНЫХ ВИДОВ КОВКОГО
ЧУГУНА
Состав и свойства ковкого чугуна зависят от ряда факторов:
способа отжига, толщины отливки, типа плавильного агрегата,
первичной структуры и т. д.
а) Состав ковкого чугуна и его влияние и а
механические свойства. Химический состав ковкого
чугуна в зависимости от способов отжига представлен
в табл. 46.
Отливка из ковкого чугуна
507
Во всех случаях содержание углерода и кремния подбирается
таким образом, чтобы в отливках до отжига не было заметных
выделений графита. Поэтому, чем больше содержание углерода,
тем меньше должно быть содержание кремния. Общее содержа-
ние этих элементов зависит от толщины отливки и температуры
перегрева чугуна и может быть легко определено по структур-
ным диаграммам (область I на рис. 56).
Из табл, 46 видно, что в белосердечном ковком чугуне до-
пустимо более высокое содержание углерода, чем в черносердеч-
ном. Это объясняется тем, что в условиях обезуглероживания
Таблица 46
Химический состав отливок из ковкого чугуна
Элементу Черносердечный ферритный ковкий чугун Черносердечный перлит- ный ковкий чугун белосердечный ковкий Чугун
до отжига после Отжига до отжига | после отжита до отжига | после отжига
Сое, % 2,2—2,9 1,8—2,8 2,2-2,9 1,8 2,8 2,8-3,2 0,5-2.4
СГр. % 1 1,6-2 7 — 1.0—2.3 — 0,2-1,7
Сев , % 2,2—2,9 0,1-0,2 2,2-2.9 0,5-0,8 2,8—3,2 11,3-0,7
Si. % 1,4—018 1,4—0,8 1,4-0,8 1,4-0,8 1,1—0,7 1.1-0.7
Мп, % 0,3—0,5 0 3-""0 ? 5 0,3-1.0 0,3—1,(1 0,4—и,7 0,4—0,7
S. % 0,05-0,15 0,05-0,15 0,05-0,15 0,05—0,15 0,12-0,2 0,12-0,20
Р, % До 0,2 До 0,2 До 0,2 До 0,2 До 0,2 До 0.2
(углерод не оказывает столь большого влияния на механические
«свойства. Литейные же свойства чугуна повышаются с увеличе-
нием содержания углерода.
I Содержание серы в черносердечном ковком чугуне обычно
наиже, чем в белосердечном, так как сера задерживает графити-
зацию. По этой же причине должен соблюдаться правильный
баланс между марганцем и серой при производстве ферритного
[Ковкого чугуна. При получении же белосердечного ковкого
[чугуна, а также черносердечного перлитного точное соблюдение
^оптимального соотношения между марганцем и серой не являет-
ся уже обязательным. Наоборот в белосердечном ковком чугуне
КДаже полезно более низкое отношение Мн : S, чтобы обеспечить
клучшее обезуглероживание и более благоприятный по форме
^углерод отжига. При получении же черносердечного перлитного
^Ковкого чугуна полезно отношение Мп : S выше нормального.
Содержание фосфора во всех случаях не должно превышать
1)0,2%, иначе чугун получается хрупким. При этом особенно ни.з-
| Кое (до 0,1%) содержание фосфора желательно при ироизвод-
I став белосердечного ковкого чугуна.
508
Отливки us чугуна
Таблица 47
Механические свойства ковкого чугуна
Механические сной- CTUS Черносердечный ковкий чугун ферритный | перлитный ВелосердеЧНыП ков- кий чугун
ой, кг/мм* вод, кг1мм? а,% , о,н, Kz.vjcM- Е, кг!мм1 Ив, кг/мм,- । ° о ? о О СО р -г^ ю тг сч СЧ СО — III 1 1 »—и 35—80 21—60 2—10 0,5-1,5 14000—18000 150—220 <35—55 18—40 2-15 0.5-2.0 15000—19000 160-200
Механические свойства ковкого чугуна могут меняться в зна-
чительных пределах, в зависимости от способа его производства,
состава н структуры (табл. 47).
1В противоположность стали, прочность ферритного ковкого
чугуна увеличивается вместе с пластичностью—£&йе. 744) благо-
/даря уменьшению количества и улучшению формы свободного
(углерода. В перлитном же чугуне, где повышение прочности
'зависит от увеличения количества перлита или повышения его
[дисперсности, удлинение ковкого чугуна уменьшается параллель-
но с увеличением прочности.
Поэтому перлитный ковкий чугун характеризуется большей
прочностью и меньшими пластичностью и вязкостью, чем фер-
ритный чугун. При перлитной же структуре наибольшей вяз-
костью обладает ков кин чугун со сфероидизированным перлитом
или с перлито-ферритной структурой основной массы.
Отношение предела текучести ковкого чугуна к пределу
прочности колеблется от 60 до 80%. Столь высокое отношение
°о,2 '• %, наряду с высокими абсолютными значениями ss, S, а/;
и отсутствием остаточных литейных напряжений благодаря дли-
тельному отжигу, делают возможным широкое применение
ковкого чугуна как конструкционного материала.
Вместе с тем следует отметить, что колебания механически<
свойств ковкого чугуна весьма значительны даже при одной
и той же структуре (табл. 47).
Наибольшее влияние па механические свойства ковкого чу-
гуна имеет углерод, в особенности при производстве черносер-
дечного чугуна. Поэтому содержание углерода в этом чугуне
доводят иногда до 1,4—2,0% с соответствующим повышением
содержания кремния до ’1,5—2,0% и с введением иногда меди
до 1,5%. Такой чугун дает возможность сильно сократить про-
Огливки из ковкого чуецна
509
цесс отжига и повысить механические свойства отливок. При
этом выделение некоторого количества графита в отливках до
отжига не столь опасно пргг таком низком содержании углерода
[• Рис. 327. Влияние, кремния 'на свойства белоссрдеч-
| нэго ковкого чугуна
благодаря благоприятной форме этого графита. При получении
|Эке белосердечного ковкого чугуна углерод в значительной сте-
Г'Денн окисляется, и поэтому исходное его содержание не так
урезки отражается на механических свойствах отливок. Однако,
Принципиально и здесь понижение содержания углерода и чу-
утуие имеет следствием повышение механических свойств.
5 III
Отливки из чугуна
Понижение содержания углерода сопровождается обычно
повышением количества кремния, что целесообразно как с точки
зрения сокращения времени томления, так л улучшения литей-
ных свойств чугуна. Однако, g почки зрсц’|1И механических/
свойств, повышение содержания кремния не является полез-\
ным— поэтому лучше всего ограничиваться 1,0— i ,2 % Si в чер-/
носердсчном ковком чугуне в тех случаях, когда необходимы^
высокие механические свойства. Еще резче сказывается влияние^
кремния на свойствах белосердечного чугуна, как это видно из
литературных данных (рис. 327). Кремний препятствует в этом
случае процессу обезуглероживания и поэтому уменьшает пла-
стичность чугуна. В том же направлении, как показывают иссле-
дования, действует сера, в особенности при высоком содержа-
нии; марганец же повышает прочность без заметного влияния
на удлинение (рис. 328).
Применение легирующих элементов для отливок из ковкого
чугуна не получило до сих пор практического развития, хотя
1!зучеи‘; уже многими исследователями. Причина этого заклю-
чается в том, что большинство легирующих элементов задержи-
вает графитизацию, в особенности вторую стадию. Поэтому
легирование представляет интерес, главным образом, при произ-
Рис. 328, Влияние марганца и серы на свойства бело-
сердечного ковкого чугуна
производстве же ферритного ковкого чугуна хром сильно задер-
живает графитизацию. Наличие хрома выше 0,07% приводит
к частичному получению перлита и сильному понижению
пластичности.
Единственным легирующим элементом, нашедшим некоторое
применение в производстве ферритного ковкого чугуна, является
медь. Опа повышает, по имеющимся данным, прочность черно-
сердечного и белосердечного ковкого чугуна, не оказывая почти
Отливки из ковкого чугуна
511
влияния на удлинение (рис. 329). Особенно заметно влипяпие
меди при высоком содержании углерода в ковком чугуне,,
причем влияние это может быть еще усилено за счет дисперсион-
ного твердения (нагрев до 730—740°, выдержка 1 час, охлаж-
дение на воздухе, Дисперсионный отжиг 3—6 час. при 500').
[С. 329. Влияние меди на свойства черносердечного (а) и белосердечного
(б) ковкого чугуна
Ведь ускоряет процесс отжига черносердечного ковкого чугуна,
ио и определяет особый интерес к ней, как к легирующему
Клементу.
в б) Влияние других факторов на механиче-
ские свойства ковкого чугуна. Кроме химического
Состава, tia механические свойства ковкого чугуна оказывает
гаияние ряд других факторов. Из них основную роль играют
вервияная и вторичная кристаллизация. Так, например, все
факторы, размельчающие первичную структуру белого чугуна,
512
Отливки из чугуна
повышают его свойства после отжига. Поэтому увеличение тем-
пературы перегрева жидкого чугуна (рис. 168) и уменьшение
толщины отливки (рис- 329) повышают механические свойства
ковкою чугуна. Однако, в белосердечном ковком чугуне проч-
кость сначала повышается с увеличением толщины отливки
вследствие возрастания
количества перлита в
структуре, а затем уже
падл ст. Пластические же
свойства чугуна все вре-
мя понижаются с увели-
чением толщины отлив-
ки; причем у белосердеч-
ного ковкого чугуна в
большей степени, чем
у черносердечного. Этому
способствуют не только
укрупнение первичной
структуры чугуна, но п
относительное уменьше-
ние глубины обезуглеро-
женной зоны.
Рис. 330. Влияние температуры отжига нз
механические свойства черносердечного
ковкого чугуна:
1 — предел прочности чугуна ил narpdHiur: 2 — тп
же, нз электропечи; 3 — уд.зкнеичс чугун я из
вагр.ткц; 4 — тп же, цз электропечи.
Некоторое значение имеет также температура отжига, с по-
вышением которой получаются менее благоприятные по форме
выделения углерода отжига и крупнокристаллическое строенье
основной металлической массы, вследствие чего механические
свойства ковкого чугуна, как показал Г. Н. Троицкий, понижают-
ся (рис. 330). Во всяком случае повышение температуры отжига
свыше 1050° недопустимо, несмотря на то, что скорость процесса
при этом сильно возрастает, так как при температурах около
10803 углерод отжига напоминает уже выделения графита
в сером чугуне. Такая же форма углерода получается при нали-
чии выделений графита в отливках до отжига, вследствие чего
механические свойства резко падают, например, □ с 37 до
20 к.г!ммг ио с 15 до 2 %.
Выше было указано, что ковкий чугун, как правило, имеет
на своей поверхности ферритную корку. Наличие ее повышает
механические свойства чугуна, в особенности пластичность,
в 'гем большей степени, чем выше первоначальное содержание
углерода в металле. Вследствие этою даже при получении чер-
носердечного ковкого чугуна оказывается полезным ведение
процесса отжига в руде, если исходное содержание углерода
в отливках сравнительно велико. Обычно же при ведении про-
цесса в нейтральной среде стремятся умещшшть или даже прак-
тически исключить обезуглероживание, чтобы обеспечить полный
Отливки из ковкого чугуна
513
распад перлита в наружных зонах отливок. Поэтому снятие на-
ружной корки при механической обработке черносердечного
ковкого чугуна сравнительно немного понижает его механические
свойства (з . понижается на 5—7%, 3 — на 10—12%), но тем
сильнее, чем меньше диаметр образца. Однако ударная вязкость
при этом падает значительно больше (~50%).
Еще большее падение свойств, главным образом пластич-
ности и вязкости, наблюдается при механической обработке
белосердечного ковкого чугуна. Прочность же его при этом мало
меняется или даже повышается вследствие относительного уве-
личения количества перлита в сечении отливки;
Исходный образец
20 //лг
j ОО Q
’йЖг/Л-ч* 3(J’5
ОбработанньЕЙ
до 17 мм
33 7
34,3
Обработанный
до 14 мм
32,5
33,8
Термическая обработка ковкого чугуна дает возможность
изменять его структуру и свойства. Обычно при этом повы-
шается прочность и понижается пластичность. Чем больше вре-
мя выдержки отливок при температуре выше критической, тем
больше свободного углерода переходит в раствор, тем больше,
следовательно, образуется перлита при последующем быстром
охлаждении, тем больше прочность и меньше пластичность чу-
гуна.
При этом кратковременная выдержка может привести
к растворению углерода только на поверхности, в то время как
центральная часть останется мягкой и вязкой. Точно так же,
.подбирая низкую температуру термообработки, можно добиться
[превращения а — у только на границе зерен, в то время как
Е центр зерна, имеющий более высокую критическую точку,
Г остается в состоянии а. Поэтому при последующем быстром
t Охлаждении выделение карбидов происходит только по грани-
1цам зерен. Такой чугун (рис, 318) отличается большой вязко-
кстью наряду с высокой прочностью:
11 = 40 — 45 кг мм2, S = 8 — 10° 0.
I При закалке с последующим отпуском н при нормализации
| мех эпические свойства изменяются согласно рис. 18[. Как н в
ВСером чугуне, отпуск при 300—400° дает максимальное значение
г? 1:. Удлинение же ковкого чугуна мало меняется при отпуске до
ГбОО'3 и только с дальнейшим увеличением температуры заметно
[! повышается. При этом количество связанного углерода и твер-
f. дость уменьшаются п тем большей степени, чем выше темиера-
?. тура и длительнее выдержка.
i Предварительная закалка отлннок из белого чугуна до от-
I Жига, значительно ускоряя процесс графитизации при отжиге,
I не оказывает благоприятного влияния на механические свойства
33 Зак, 805
514
Отливка из чугуна
ковкого чугуна. Во многих случаях она приводит к понижению
пластичнЪсти вследствие строчечного выделения углерода отжи-
га, чего в некоторой мере можно избежать, как показали
А. Д. Ассонов и В. Н, Прядилов, повышением температуры
отжига до 1050°.
в) Технологические, физические и химиче-
ские свойства ковкого чугуна. Из технологических
свойств ковкого чугуна наибольший интерес представляет
обрабатываемость.
Ферритная структура черносердечного ковкого чугуна, низкая
твердость, отсутствие абразивных включений и наличие углерода
отжига делают этот материал весьма пенным с точки зрения
обрабатываемости. Однако и белосердечный ковкий чугун, хотя
и уступает в этом отношении черносердечному, все же обраба-
тывается значительно лучше, чем сталь и серый чугун. В неко-
торых случаях (фитинги), вследствие образования более глад-
кой поверхности и блестящей резьбы, его даже предпочитают
черносердечному ковкому чугуну. При механической обработке
следует иметь в виду, что во избежание затупления резца
о перлитную корку, часто залегающую под обезуглероженным
наружным слоем, первую стружку необходимо брать достаточно
толстой, чтобы направить резец сразу по нормальной ферритной
структуре.
Однако низкая твердость ковкого чугуна и его ферритная
структура, столь ценные с точки зрения обрабатываемости.
О да 28 33 У} 50 60 70 80
Рис. 331. Влияние количества перлита в
структуре на износ ковкого чугуна
ных отливок является перлиго-ферритпая
являются причинами
низкой измосоупорно-
сти. Поэтому для по-
вышения сопротивле-
ния износу применяют
перлитный ковкий чу-
гун, несмотря на его
худшую обрабатывае-
мость. Износ этого чу-
гуна, как показал
Я. Г. Лифшиц, умень-
шается с увеличением
количества перлита в
структуре (рис. 331).
Оптимальной структу-
рой для антифрикцион-
с содержанием около
70—80% перлита, что обеспечивает чугуну не только нзпосо-
упорность, но и необходимую в некоторой степени пластичность.
Такие отливки во многих случаях допускают замену дорогих
Отливки из ковкого чугуна
Э1Э
И дефицитных цветных сплавов, причем могут применяться для
давлений 60—70 кг/см2 при скоростях 2—3 м!сек. и при наличии
ударных нагрузок.
Остальные физические свойства ковкого чугуна пе имеют
большого практического значения и в общем виде были уже
освещены в гл. V.
Что касается химических свойств, то во многих средах, на-
пример, на воздухе, в атмосфере топочных газов, при воздей-
'ствии воды и т. п., ковкий ' чугун, благодаря своей ферритной
корке оказывается более стойким, чем сталь и серый чугун.
При этом, как показали Ю. С. Лейзерман и А. С. Кушнирскнй,
медь несколько повышает коррозионную стойкость ковкого
чугуна в этих средах.
3. ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОВКОГО ЧУГУНА
Производство отливок из ковкого чугуна отличается рядом
особенностей, обусловленных его литейными свойствами, процес-
сом отжига, составом металла и другими факторами.
а) Литейные свойства ковкого чугуна и осо-
бенности технологии формы. Белый малоуглероди-
стый чугун, применяющийся для отливок из ковкого чугуна,
Обладает сравнительно низкими литейными свойствами; пони-
сенной жидкотекучестью; большой усадкой в жидком состоянии,
о время затвердевания и в твердом состоянии; большой склон-
остыо к образованию горячих и холодных трещин. Все это
Рис. 332, Правильный (слева) я неправильный (справа) подвод металла в от-
ливку рычага из ковкого чугуна
издает значительные затруднения при изготовлении отливок из
Ловкого чугуна, требует высокого перегрева металла и тщатель-
ных мер борьбы с литейными пороками.
Большая усадка во время затвердевания делает необходимой
’установку боковых прибылей у каждого местного утолщения,—
516
Отливка из чигу на
иначе там образуются усадочные раковины (рис. 332). При этом
приходится иногда изменять конструкцию отливки (рис. 253,
254), применять специальные стержни (рис. 333), холодильники
и 'г- д., чтобы иметь возможность питать отливки в надлежа-
щем место.
Большая
н пористости вызывает
Рис. 333. Установка спе-
циального стрежня для
боковом прибыли
склонность к образованию усадочных раковин
затруднения при изготовлении отливок,
работающих под давлением. Эта1 склон-
ность уменьшается с увеличением со-
держания углерода. Поэтому для от-
ливок, работающих под давлением,
рекомендуется применять чугун с со-
держанием углерода 2.G—2,8%, не-
смотря на то, что механические свой-
ства при этом несколько понижаются.
Также тщательно должны проводить-
ся мероприятия по борьбе с горячими
и холодными трещинами, подробно
изложенные в гл. Ш.
Изготовление моделей для отливок из ковкого чугуна дол-
жно производиться с учетом усадки в литейной н изменения
размеров во время отжига (томленья), как это следует из фор-
мулы (84). Самую большую усадку (>2%) имеют топкие от-
ливки из белосердечного ковкого чугуна, самую малую (<1%)-
толстые отливки из черносердечного ковкого чугуна (рис. 334).
Согласно исследованиям И. П. Шумилова, зависимость ус.зд
ки черносердечного ковкого чугуна от сечения отливок выра-
жается следующим образом:
Сечение, .юнх.и.и 10x10 15x15 20x20 30x30 40x40
г. % ... +0.73 4-0,26 —0,17 -0,62 —0,54
При этом величина усадки металла в форме и рост его во
время отжига1 зависят также от конфигурации и формы сечения
отливки (рис. 335).
Заливка деталей из ковкого чугуна производится обычно при
температурах 1350—1450°. Такие высокие температуры требуют
особых мероприятии по повышению перегрева чугуна при плав-
ке и определяют выбор плавильного агрегата для ковкого
чугуна.
б) Отжиг ковкого чугуна. Процесс отж.нга прсл-
стаг.ляст очень важный этан в производстве ковкого чугуна
к проводится в специальном отделении цеха, называемом от ж п-
г а т с л ь и Ы м или том п льн ы м. Отливки после первой
чистки и браковки подаются в это отделение, где загружаются
специальные чугунные (реже стальные) горшки для отжига
(рис. 336).
Отливки из ковкого чугуна
517
В горшке обычно вмещается от 150 до 300 ка.птдингж. при-
чем размеры горшка определяют из расчета 1000—1500 ка отли-
вок па 1 лг объема горшка. Состав чугуна ДЛЯ горшков подби-
рается таким образом, чтобы излом их был белым, иначе
Рис. 335. Зависимость усадки ц рос-
та отливок из ковкого чугуна в про-
цессе отжига от формы сечении от-
ливки
Рис. 334. Усадка в фор-
ме и изменение разме-
ров нри отжиге черно-
сердечного и белосер-
дечного ковкого чугуна
Рис. 336
Горшки для
отжига ков-
кого чугуна
Стойкость горшков резко уменьшается. Примерный химический
анализ чугуна для этой цели составляет.
с, % Si, % Мп, % Р. % S, % Сг, %
2,5—3,5 0,7—1,5 0,3—0,7 До 0,3 До 0,2 До 0,6
518
Отливка из чугуна
В зависимости от состава чугуна, температуры и длитель-
ности отжига, конструкции печи и характера атмосферы в ней,
стойкость горшков колеблется в пределах от_6 по 50 кампаний.
Наибольшая стойкость получается при горшках нз белого чугу-
на с прибавкой хрома и с низким содержанием фосфора, при
нейтральной атмосфере в печи и сравнительно низкой темпера-
туре отжига. Расход горшков по весу может составить от 4 до
15% от веса отливок. Поэтому увеличение их стойкости имеет
большое экономическое значение.
Во избежание большого коробления отливок во время отжи-
га упаковка их в горшках производится с большой тщатель-
ностью. Для этого отливки плотно укладываются в ряды, пере-
сыпаемые паковочным материалом (песком или рудой), который
предохраняет их от коробления и окисления Однако при про-
изводстве черносердечного ковкого чугуна, в случаях сравни-
тельно простых по конфигурации отливок и нейтральной атмо-
сферы в печи, обходятся вовсе без паковочного материала,
а иногда и без горшков, что способствует лучшей теплопередаче,
более быстрому нагреву и охлаждению и уменьшает накладные
расходы цеха.
При получении белосердечного ковкого чугуна в качестве
паковочного материала служит смесь старой отработанной и све-
жей руды в кусках размерами от 8 до 15 мм. Старая руда про-
сеивается предварительно через сито для отделения пыли, при-
горающей к отливкам. Свежая руда добавляется в количестве
ст 5 до 15%.
Большой расход руды и топлива при длительном томлении
белосердечного ковкого чугуна делает этот способ менее эконо-
мичным, чем способ получения черносердечного чугуна. По этой
причине, а также в силу ряда технических преимуществ, в на-
стоящее время в СССР производится, главным образом, черно-
сердечный ковкий чугун.
В последнее время рекомендуется процесс газового обезуглероживания
ддя белосердечного ковкого чугуна. Отжиг производится при этом в газовой
атмосфере специального состава например;
СО, СОЛо Нг,»/о Hs0.o.o N„%
4,0 11,2 8,0 5,5 Остальное
Такой паз является окислительным только по отношению к углероду, но
но к железу, я поэтому производит обезуглероживание без образования
окалины на отливках. Газ пропускается в муфельной печи со скоростью
1,0—3,0 м/мин в течение того пли иного времени— в зависимости от темпе-
ратуры ц толщины отливки (рис. 321). Использованный газ регенерируется
нутом частичного сжигания восстановленных СО u Hj.
По своей конструкции и режиму работы печи могут быть
разделены на периодические и иепрерывн ы'с. Уст-
1 Для предохранения от окисления отливок горшки часто устраиваются с
затворами, затрудняющими проникновение газов (рис, 336).
Отливки из ковкого чугуна.
519
ройство их подробно описывается в курсе «Металлургические
печи».
Отопление периодических печей (емкостью от 2 до 40 г) про-
изводится твердым, пылевидным, жидким или газообразным
топливом или же электрическим током, При этом расход услов-
ного топлива в обычных периодических печах колеблется от 30
до 100% от веса отливок. Расход же электроэнергии в электро-
печах составляет около 350 квт-ч на 1 т отливок.
Печи для отжига ковкого чугуна должны быть сконструированы так, что-
бы можно было быстро поднимать температуру во время иагревз (7—24 час.)
промежуточной стадии графитизации (5—15 час.).
и оыстро понижать ее в
Полезно также иметь
возможность регулиро-
вать атмосферу в печи.
В этом отношении элек-
тропечи являются наибо-
лее гибкими н совер-
шенными. Так, в 25-г
печах ГАЗ им. Молотова
(рис. 337) подъем тем-
пературы производится
в течение 10 час. Атмо-
сфера в этих печах ней-
тральная, что позволяет
обходиться не только
без паковочного мате-
риала, но даже без
горшков. Отливки гру-
зятся прямо на вагонет-
ку. которая поднимается
вверх плунжером и за-
клинивается, После окон-
чании первой стадии
Графитизации вагонетка
Испускается вниз, быстро
Рис, 337. Электрическая периодическая печь
ГАЗ им. Молотова для отжига ковкого чугуна
[^охлаждается до критической температуры и затем вновь поднимается аверх
;(для выдержки при второй стадии графитизации. Цикл отжига длится обычно
у 40—60 час.
i В других случаях пользуются разными печами для первой и второй ста-
КДии графитизации. В частности, для этого применяются печи колокольного
£типа в которых под с отливками остается на месте, а свод вместе со сте-
ками (колокол) поднимается краном. Во всех случаях электропечи позволяют
ввести наиболее короткий отжиг (длительностью иногда до 15—30 час.) по
Наиболее точному режиму.
:• В качестве непрерывно действующих печей чаще всего используются тун-
нельные печи (рис. 338) производительностью 25—100 т в сутки. Эти печи
/представляют собой длинные коридоры .(до !00 ж), в которых вагонетки,
продвигаясь постепенно, проходят весь цикл отжига. Как только вагонетка
’входит в тамбор, шлюзы печи поднимаются, а шлюзы тамборов закрываются,
чтобы газы не направлялись п цех. После этого толкатель проталкивает ва-
гонетку, а тем самым весь поезд вагонеток; при этом последняя вагонетка,
уже прошедшая цикл отжига, выталкивается в выпускной тамбор и оттуда
направляется в цех для разгрузки. В печи вагонетки постепенно проходят
зоны подогрева, выдержки, промежуточного охлаждения, второй выдержки
« окончательного охлаждения.
520
Отливка из чигу на
Большинство туннельных печей — муфельного тина, так что продукты
горения не соприкасаются непосредственно с горшками. Горение происходит
в муфелях, и только в начале' печи продукты сгорания поступают непосред-
ственно в цепь, чтобы быстрее подогревать вагонетки с холодной садкой.
После этого газы через воздухонагреватель удаляются в трубу. Дальнейший
подогрев вагонеток происходит за счет циркуляции газов гтечн через полости
муфелей. Имеются у лас и безмуфельпые туннельные нет.
Рис. 338. Непрерывно действующие печи туннельного типа. Общая длина
печи 74 Л; ширина различна в разных частях и доходит до 6 .и-, высота
печи с нижним туннелем — 5,6 .ц; печь вмещает 43 вагонетки
Быстрое остывание в промежуточной зоне осуществляется посредством
охлаждения полых стенок воздухом от специальных вентиляторов. С этой
же целью последняя зона делается из листов гофрированного железа, между
которыми прогоняется холодный воздух.
Туннельные печи работают весьма экономно в расходуют около 10—20",,
условного топлива, вместо 30—50% в лучших периодических печах. Они ус-
тановлены почти во всех крупных литейных Советского Союза.
Ддя уменьшения упара торшкои и муфельных пенах можно пользоваться
специальной защитной атмосферой.
В последнее время подучили применение новые туннельные печи радиа-
ционного типа, в которых нагрев происходит благодаря сжиганию газа в спе-
циальных трубах из жаростойкой стали. Значительный интерес представляют
Отливки из ковкого чугуна
52 Г
также электропечи непрерывного действия, в которых отливки проталкива-
ются на специальных поддонах.
Общий цикл отжпиа и туннельных печах длится 70—100 час. протии
J 00—150 чае. в обычных периодических печах,
В наиболее совершенных исчах современного тина цикл от-
жига, при б.п;иоирнягном составе чугуна, продолжается только
30—60 час., как это видно из табл. 48.
Таблица 4S
Сравнительные циклы отжига ковкого чугуна в разных печах
Стадии отжиги Периодические печи Туннельные печи обыч- ного типа Радиаинонные к элек- трические печи
Нагрев, час. . . . Выдержка, час. . Промежуточная 40 16-28 8
72 21—45 10
стадия, час. , й Вторая стадия. — 10-12 2
час г 80 13-59 Ю
Всего, час . . 192 60-144 30
По способу А. М. Штернберга первая стадия проводится
ш соляной ванне в течение, 1 часа, вторая стадия — в обычной
t:iic4H в то или иное время, в зависимости от желателыьой
[’структуры
i Сокращение времени отжига имеет большое экономическое
[значение, так как приводит к понижению расхода топлива, уско-
рению товарооборота, уменьшению расхода горшков и сниже-
нию себестоимости (табл. 49).
и сварка ковкого чугуна,
в общей сложности двойной чистке
Первая чистка иеобхо-
формовочных смесей во время отжига,
г в) Чистка, обдирка, правка
ЙУглнвки из ковкого чугуна подвергаются
мдо и после отжига),
мима во избежание привара остатков
ЬВторая—для удаления легкого слоя
кока лины. Чистка отливок произво-
дится в барабанах или в пескоструй-
Ейых аппаратах.
Е' Удаление остатков питателей
ига отливках из ковкого чугуна (до
Кали после отжига) производится
мате всего на наждачных камнях
(агиаметром до 500—000 мм е воз-
;^южпо постоянной окружной ско-
'..Востыо. При этом обдирка до от-
жига имеет преимущества вследствие
Возможности иепольаова1П|я большей
обдирке питателей и правке.
Рис. 339. Отрезка питателей резцами
окружной скорости (до 30 лг/сск)
'Я меньшего заоаливання и износа камней. В случае обдирки питателей после
отжига возможно применение весьма производительных прессов вместо на-
ждачных камней. В этом случае питатели удаляются отрезкой резцами
(рис. 339).
522
Отливка из чугуна
Таблиц а 49
Сравнительная калькуляция стоимости отжига I t>i ковкого чугуна
при циклах отжита в 150 и 75 час.
Статьи р^люда при режиме 150 чпе, 'И- |:IT|IJTld ф %
при режиме 75 час.
1. Топливо технологическое —
мазут 37,0 24,0
2. Производственная заработная
плата:
загрузчики 7.5 7,5
отжигальщики 2.0 1 0
крановщики 1,8 . 1,5
Всего: , 11,3 10,0
3. Цеховые расходы:
зарплата ИТР 1,5 1,0
дополнительЕгал зарплата , , 1.0 0 8
начисление на зарплату . . , 0,9 0 7
амортизация 0,4 0,2
текущий ремонт 4.5 3,0
электроэнергия дан[areaей 0,3 0,3
з.чек !р<гщерГ1П[ освещения . . 0,(> 0,0
отж!1гате.:ц,ш,п' горщ кн ... 2<: н 15,2
транспортные расходы .... 2,7 2.7
Всего: 41,7 24,5
4. Общезаводские расходы 10,0 6,5
Всего стоимость отжига: 100,0 65,0
Под влиянием давления и высокой температуры отливки из ковкого чу-
гуна часто подвергаются короблению во время отаига п требуют правки.
Последняя производится при нормальной пли но-выщеяной (до ЙЮ0! темпе-
ратуре, з за bi [сн мост!! от степей и коробления. При этом температура нагрет.:'!
должна быть ограничено подкритпчсской областью, иначе углерод от>;<щ:'|
может перейти в раствор с последующем образов,таю! перлита во премя
охла ждения.
Правка производится пру'юую или на прессах if молотах при гюмсяд1
oiH'inia.ir,них матрац. Сог.ЧЩ'но д п :ер,',т урны м лонным (рис. 340), п л а ст: 1111 >'Л11''
; ip м: ।: [ 11 п в ковком чу гене iri'HiiiaioT <। б и а' в щ i ,i i ються уже r;;iii да !.<':. ап
II— Ifi л; -/i.'.ir'', naiK^'ii же при ti"m ир'чи’Х'Юит пне и малой гтененн. Уал :'
щи-о оказы у петел в йч. . i. и i и Ж'тпе е.-i у ч;че в достаточно лая о щ!гжн -
Поэтому мощность нрссеа изд че дп нпжет быть рассчитана п зависимости
чт понирхаогги отливки (Г} по следующей формуле;
Р^(1 .4-1 ,0)Лт i TB4J
Отливки из ковкого чугуна
523
Качественная сварка ковкого чугуна з>атруЛнена вследствие образования
перлитной структуры в процессе охаждеиия с надкритических температур и
ссют 1и?тству|О11 (его и член на пластичности. Кроме того, в местах снарки воз-
могкпл графптиз.тннн при нерл«Щ| (I и к металла с выделением ю, ас п i и ч атпго
графит:!. Грт-лому полу ч С11 „ падл ел,.1 щец структуры ковкого чугуна к местах,
сварки лучше нсегл < >ц г: i г; i отец применением электродов из белого <iyi'vna
с последующим от щитом отливок но нормальному циклу. При атом сварка
может произ(1олит1.сп ц.ак до, так и после отжига. Другие способы сварки
{бронзой, латунью и т. д.) носят, главиым
образом, декоративный характер. Указанные
затруднения приводят к тому, что сварка
ковкого чугуна применяется только как за-
варка небольших пороков, не оказывающих
существенного влияния на прочность отливки
в целом.
г) Особые виды брака на
ковком чугуне и меры борь-
бы с ними. Наиболее характерными
видами брака ковкого чугуна являют-
ся усадочные раковины, ииплоiноет и,
трещины, газовые раковины, неметал-
лические включения, недоливы и т. д.
Причины их образования и меры борь-
бы с ними была выяснены выше. Осо-
Рис 340. Зпвпсимость де-
фор м ,и til к н твердости кон-
к< н'(:. и у rvi [ а от .та юны и я
(з>, и получаются
бо следует отметить брак отливок,
образующийся при отжиге п завися-
ЩИн как от состава металла, так и от
режима терм плеск oii обработки.
Если низкие механические свойства
вследствие неправильного состава металла (высокое содержание
фосфора, углерода, кремния, выделения графита в отливках до
отжига), то брак исправить не удается. Если же несоответствие
техническим условиям по механическим свойствам является
следствием неправильного ведения отжига, то в большинстве
случаев при этом получаются низкое удлинение и высокие зна-
чения прочности и твердости,— в структуре чугуна наблюдается
много перлита, а иногда п структурно-свободные карбиды.
Такой вид брака можно исправить путем применения вторично-
го отжига.
Низкие механические свойства могут быть получены также
вследствие наличия пороков в образцах. Поэтому необходима
заботиться о правильной и тщательной формовке образцов дам
испытания.
При очень высоких температурах и с еплыю окислитс.’п. i‘ni
среде отл111ж11 из белосердечного luic.ruio чугуна имеют ipy<io-
крпсталличсскос строенное окисленными границами зерен (пере-
жог). Такие отливки покрыты окиелами, имеют оплавленные края,
а поверхность их часто сплавлена с паковочным материалом.
524
Отливка из чугуна
Механические свойства таких пережженных отливок низки и не
могут быть исправлены вторичным отжигом. Если же процесс
окисления не достигает степени пережога (температура отжига
не так высока), но паковочная среда является слишком окисли-
Рис. 341. Структура и изменение состава белосердечного колкого чугуна при
образовании «рубашки»
тельной, диффузия углерода к поверхности не успевает восста-
навливать убыль от обезуглероживания. В этом случае на по-
верхности отливок образуется окисленная корка, которая в виде
«рубашки» одевает отливку и отслаивается при ударе, дефор-
мациях или механической обработке.
Такая рубашка, как показывают исследования, часто обра-
зуется при высоком содержании серы в руде, низком содержа-
нии углерода и марганца и высоком содержании кремния в чу-
гуне.
Механизм образования рубашки связан с возникновением
обезуглероженного слоя, в котором сера диффундирует от по-
верхности к центру, располагаясь на границе окисленной зонЫ-
(рис. 341). Этой диффузии способствует наличие легкоплавкой
эвтектики FeS—FeO, вследствие чего образование рубашки на-
блюдается при низком отношении Мп : S. Поэтому в центре се-
чения (Углнвкн часто остаются структурно-свободные карбиды.
При производстве черносердечного ковкого чугуна частым
видом брака является так называемый белый излом. Эго
Отливки из ковкого чугуна
525
явление заключается в том, что отливки после отжига, а еще
чаще после быстрого охлаждения с 400—500° (например при
оцинковке) обнаруживают хрупкость и низкое значение ударной
низкости при нормальных значениях прочности и удлинения.
1акая хрупкость обычно не сопровождается никаким видимым
изменением структуры. Излом отливок носит при этом межкри-
сталлитный характер и имеет блестящий белый цвет вместо
обычного черного бархатистого (рис, 342, Б).
5=
О
Ч
5;
'Ряс. 342, Излом, структура и ударная низкость ковкого чугуна в зависимо-
сти от температуры нагрева с последующим быстрым охлаждением
| Несмотря на многочисленные исследования, явление белого
Излома не получило до сих пор ясного объяснения. Есть осно-
вания полагать, что такому образованию хрупкости способствуют
[высокое содержание кремния (>1,2%) и фосфора (>0,[5%) !,
1а также быстрое охлаждение с 400—550°, причем минимальная
(ударная вязкость получается после быстрого охлаждения с 450°.
(Однако, если отливки из ковкого чугупа предварительно б hi-
re тро охладить с 650—700°, то последующий нагрев
гИ охлаждение с 450° не вызывают уже белого излома.
г Явление белого излома в некоторой мере аналогично отпуск-
ной хрупкости в стало и связано, вероятно, с разными вылсле-
[Ииямп по границам зерен. Можно предполагать, что при нагре.че
’отливок до 450" часть углерода отжига переходит в рлег’юр
1 Медь. cor.'lneiTO исследованиям |О. С. Лейзерм.-ш;! и А. С. Кулнпрекого,
' Уменьшает склонность ковкого чугун;, к o(5p;i шваннто с'сдаго и члоиа.
Отливка из чугуна
феррита и при быстром охлаждении выделяется в виде карби-
дов по границам зерен, вызывая межкристаллитный белый из-
лом. Возможно, что вместе с карбидами щщ -->том выделяются
и Другие соединения, например фосфиды. I |ри нагреве отливок
До более высоких температур (650—70(F), иск-лсдуютее быстрое
охлаждение способствует образованию псресыШеииого феррита
без выделении каких-либо фаз ио границам зерен. Поэтому
ударная вязкость в этом случае не падает. Если такой пересы-
щенный феррит нагреть до 450°, растворения угле]) од а отжига
уже не произойдет, при последующем охлаждении углерод
не выделится из феррита и ударная вязкость не понизится.
Таким образом, для борьбы с белым изломом следует иметь
в чугуне низкое содержание кремния и фосфора и вести по воз-
можности быстрое охлаждение с 650—700°. В случае образова-
ния белого излома его можно исправить нагревом до 650—700е
с последующим быстрым охлаждением.
В заключение следует отметить, что ковкий чугун требует
очень внимательного отношения ко всем этапам производства.
Только при этом условии можно получать отливки с минималь-
ным браком и высокими свойствами, позволяющими в ряде
случаев успешно заменять ковким чугуном более дорогие и де-
фицитные материалы — сталь н сплавы цветных металлов.
Отдел четвертый
ПЛАВКА ЧУГУНА
ГЛАВА X
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПЛАВКИ
И ПЕРЕГРЕВА ЧУГУНА
Получение ответственных отливок требует применения жид-
кого чугуна определенного состава и температуры. Поэтому
плавка чугуна представляет важный этап в общем цикле произ-
водства и в значительной мере предопределяет результаты ра-
боты литейной. Задача плавильщика заключается в том, чтобы
обеспечить получение жидкого чугуна высокой температуры в
строгом соответствии с заданным составом, с минимальным со-
держанием газов, включений и вредных примесей при низком
угаре (потерях). При этом должно быть обслечено также полу-
чение жидкого чугуна в надлежащем количестве, соответственно
требованиям производства, nj>jj минимальном расходе топлива,
электроэнергии, огнеупоров ц рабочей силы, т. е. с низкой себе-
стоимостью.
1. ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ И ПРОЦЕСС ПЛАВКИ ЧУГУНА
Процесс плавления чугуна зависит не только от состава и
структуры составных частей шихты, но также и от конструкции
плавильных печей.
а) Печи для плавки чугуна. Почти все печи для
плавки стали и цветных сплавов могут применяться и для плав-
ки чугуна. Таковы тигельные, отражательные (стационарные и
вращающиеся), мартеновские и электрические печц разной кон-
струкции: дуговые, печи сопротивления, индукционные печи низ-
кой и высокой частоты и т. д. В редких случаях применяют-
ся даже конвертеры в комбинации с другими печами. Однако
Подавляющее количество чугуна (около 80%) проплавляется в
специальных печах—вагранках, представляющих замечательное
изобретение русских металлургов XVIII века.
Как видно из рис. 343, вагранки представляют собой шахт-
ные печи, работающие по принципу противотока. Сверху через
колошниковое отверстие (/) загружается шахта, состоящая из
Чередующихся металлических (2) и топливных (3) колешь Че-
рез фурмы (7) снизу подается воздух для горения т<>ымs।is.'t, п
за счет развивающегося тепла плавится металлическая шихта
Плавка честна
При этом । |..'та в ле и iic происходит па некотором расстоянии от
фурм т: i'o.i|Тц.;и,||С|М поясе (5), ниже шл>>।я>то радиола гштся
СТОлб ТОи.ащ;;!, Е1ЯЗЫ ВЗСМЫЙ X О Л ОС Т (ц"| Ы>а<1ЦЦН| (б). При
уегаиищшшемся процессе плавки уровень холе-И1Г1 колоши с-он-
k
стой колоше по
нястся рабочей
этом весь столб
опускается, а в
падает с поясом плавления и остается все время
неизменным по высоте, так как умыли в холо-
время расплавления шд'пйл-
топливпой колошей (3). При
материалов в шахте вагранки
освободившееся сверху место
загружается следующая колоша. Расплавивший-
ся металл каплями стекает вниз и проходит всю
холостую колошу, в том числе фур-
менный пояс и область горна (7) ни-
же фурм. Здесь чугун скапливается на
поду вагранки (5) или стекает в спе-
циально устроенный сборник — перед-
ний горн, копильник (9), откуда вы-
пускается время от времени через лет-
ку (10) и желоб (//) в подставлен-
ный ковш.
Гиким образом, вагранка, и протп-
|1оиоложн( >е [ t, бол Hili и штву других не
чей, представляет непрерывна дейстю
Юити агрегат, г,полис приспособлен-
Рис. ;мз. Схемп ыитсшкг. ный как для конвейерных’, так и лт
обычных литейных.
б) Плавление. чугуна. Структурные составляющие ч>-
гуиа имею? резко отличные температурные плавления:
Структурные
с ос гавляющие
Температура
плавления. Г,С
Феррит Перлит
1500 ИЗО
Эвтектика
Фосфидная
sure к тик а
Графит
1140 950 2000
При нагреве чугуна плавление пачин.ютгя е наиболее ле •
коплавкпх составляющих (эвтектики): по мере повышения тем-
пературы начинают плавиться более ". y:o:i я а пк.:<? структурны-
элементы.
Псобх-однмо у’Сч'гы, ч:о -са-шав с гр; ктурных С(К'К1В,г1ЯюШ11'-
(и а Г [.I II шип С углеродом) MO-Ш’Т :< ЕIЛ Ч ! "Ш Л IЛI (> | [3 МОИ Я Tl .С Н < 'Л-
пыииншем Темпериту ры, к сия щ с чем меняется и темш’ра'ы. ;'ii
Ц,'|Ш5.1<ШИЯ-
Этот процесс протекает н-.м быстрее, чем легче ।[pciirrxo,;iHT
раетио р( 1111 с ШЯСОКоуглерОДПСТЫХ ГОСТЯ В,Ш1ЮПИ|Х. С тем Нолнее.
чем медленнее проводится нагрев.
Теоретические основы процессов плавки и перегрева чргриа
529
эвтектического жидкого раствора со-
Рис. 344. Схема измепечня состава
чугуна при H.naiwciinti
маейе, пока не будет достигнута
или конца (Г4) ее расплавления.
При очень медленном нагреве чугуна изменение содержания
углерода в металлической основной массе следует диаграмме
состояния. Поэтому v повышением температуры К01шентрация
углерода в растворе будет изменяться согласно кривой abS'E'C/g
(рис. ЗИ).
При эвтектической температуре Тл структура чугуна в этом
случае состоит из насыщенного аустенита (£') и графита. Даль-
нейшее растворение углерода в аустените приводят к его рас-
плавлению и образованию
гласно точке с'. При даль-
нейшем повышении тем-
пературы будет раство-
ряться уже избыточный
аустенит (графит), изме-
няя концентрацию угле-
рода в растворе, пока не
будет достигнута темпе-
ратура Т, при которой чу-
гун полностью расплавит-
ся. При этом содержание
углерода в жидком чугу-
не станет равным исход-
ному - С,,,,.
При очень быстром
нагреве, графит может
не успеть раствориться в
основной металлической
температура начала (Т3)
После этого при некоторой выдержке графит начнет рас-
творяться в жидком растворе, уменьшая его температуру
плавления. В этом случае концентрация углерода в основной
металлической массе будет меняться при нагреве и расплавле-
нии по линии abeknp, что практически однако не осуществимо.
В реальных условиях применяются средние скорости нагре-
ва. Поэтому при подъеме температуры концентрация углерода в
аустените изменяется по какой-то кривой abr. Положение ее
определяется скоростью иагрева л формой графита. Чем быстрее
нагрев и грубее графит, тем выше располагается точка г- Даль-
нейший нагрев ведет к плавлению чугуна, причем концентрация
Углерода в жидком растворе может из меняться по кривым г г/,
гдд/ или гц..ц.
Во всех случаях в результате полного расплавления получает-
ся ЖИДЫ1Н чугун состава q С(рис, 344). Такам образом,
температура плавления чугуна получается тем выше, чем ског
рее происходит нагрев и чем грубее выделения графита. Поэто-
34 Зак. 805
530
Плавка чцгина
му белый чугун, как показали К. П. Бунин и Д. Кацнельсон,
характеризуется более низкой температурой плавления, чем
серый (рис, 345)
В печах с быстрым нагревом температура плавления чугуна
оказывается выше, чем в печах с медленным подводом тепла.
в) Шлакообразование. Плавление чугуна всегда со-
провождается соответствующим образованием большего или
Время расптгЗлемя, мч*
Рис. 345. Зависимость тем-
пературы плавления чугуна
от его структуры и скорости
нагрева
Состава)! клине
шлака СаО
Температура
плавления, °C 2570
меньшего количества шлаков. Пр»
этом различают внешние и внутрен-
ние источники шлакообразования.
К внешним источникам отно-
сятся оплавленная футеровка, пе-
сок и окислы на поверхности кус-
ков шихты, зола топлива и флюсы.
К внутренним источникам при-
надлежат всякого рода включения
металлической шихты и продукты
окисления (угара) элементов чугу-
на при его плавке.
Отдельные составляющие шлака
имеют весьма высокие температуры
плавления, не всегда достижимые
в обычных литейных печах:
MgO SiO» AtaOa MnO FeO
2800 1710 2050 1585 1380
Поэтому образование шлака в жидком состоянии показывает,
что при плавлении возникают комплексные реакции с образова-
нием более сложных и легкоплавких соединений и растворов
(силикатов, ферратов, алюминатов). В зависимости от темпера-
туры плавления эти сложные шлакообразующие элементы могут
плавиться при более высокой или более низкой температуре,
чем чугун. Общее количество шлаков обычно колеблется в пре-
делах 5—10% от веса чугуна. Вследствие нерастворимости и
меньшего удельного веса шлак отделяется от чугуна и всплы-
вает на поверхность.
При ведении плавки необходимо получать шлак определен-
ного состава с соответствующей вязкостью и температурой
плавления, В большинстве случаев плавка чугуна ведется в пе-
чах с кислой (шамотной) футеровкой, вследствие чего и шлаки
1 Согласие исследованиям М, А. Гутовского, белый чугун непосредственно
перед расплавлением графитизируется, после чего выделившийся графит
быстро растворяется в плавящемся аустените или жидком растворе.
t 34*
Рис. 346, Комбинированные диаграммы для определения
вязкости и температуры плавления ваграночных шлаков;
1 — вязкость шлама при 1«№; в - то же, при t&OOO-
Теоретические ос.чеип-л процессов плавки и перегрева чугуна 534
Плавка чугуна
носят Kiic.'ibu'i характер ’. Например,
в вагршн-,с колеблется в следующих
cucrui; шлаков при плавке
IЩ (’Дел а х:
SiO... % G.iO, % А13С5Э. и/о ЕеО, % МпО, о.» МдО, '-’.а IM)., % S, %
U —:Ю 15—30 7—1’0 5-15 2 — 10 1—.4 С>, I -0,5 0,05 0,3
Большой интерес представляют разработанные А. М. Штерн-
бергом и Л. И. Серебрпср комбинированные диаграмме;, по ко-
торым можно определить температуру плавления ц вязкость
шлаков при 1400 п 1500° (рис. 346). Из этих диаграмм следует,
что минимальная температура плавления шлаков вовсе не сов-
падает с минимальной вязкостью.
Область шлаков, соответствующих по своему составу вагра-
ночным, характеризуется температурой плавления около 1300е1
и вязкостью 10—20 пуаз при 1400= и 5—10 пуаз при 1500°.
Низкая вязкость шлаков обеспечивает лучшую обессериваю-
щую способность, меньший угар и малые механические потери
металла, а также препятствует ошлаковыванию фурм, образо-
ванию настылей и расстройству хода вагранки. Поэтому сле-
дует стремиться к получению шлаков с низкой вязкостью2.
Однако слишком низкие вязкость и температура плавления
шлаков могут оказаться даже вредными, так как такой
шлак быстро проходит зону горе и нм. не успевая в достаточной
мерс перегреться, п может легко попасть в форму при заливке,
если его не сгустить песком или известью. Таким образом, вы-
работанные практикой составы ваграночных шлаков являются
оптимальными по вязкости и температуре плавления.
2. ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИМ
ЗОНЫ В ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ
Проблему горения топлива в плавильных печах можно рас-
сматривать, в основном, как проблему горения углерода. При
этом следует различать два случая:
1) горение в слое твердого топлива, как это происходит в
вагранке или на колосниковой решетке отражательной печи;
2) горение в свободном пространстве или в факеле, как это
происходит в стационарных плп вращающихся отражательных
ленах, отапливаемых пылевидным, жидким п газообразным
топливом.
1 IJ д< 1 мс।т111 ,iх пенчк- щ-..ц.'д<'Т|Цц- <mioriыio iitГюjti,tнего ргич.ыынич
футерЫНСП il 1Ч.1СОКЫГ TCMIll'pirr V |1 Id Мо;Ш10 лещкать OCHOTIlH.ir 1НЛЧКТГ, 11Л.'М<1Т|>И
на ныччпыю футергыку.
? По СПСКТ’Щ’ я. А. СмолттпТгНКОГО Г'ЯЗКОСТЬ Ш.такоп (>1ТРСДС.Т'1СТ1'Я ВВСОУОИ
скоростью истечения через отверстие лчлметром 15 мм.
а) Процессы горения углерода в вагранке.
Горение углерода в слое то:ищиа происходит на основе следу ю-
тих реакции:
2С О, 2СО, (1 69)
С -1- О, -- со,, (171)
2СО 4-О, , - 2СО2, (171)
С + со.. - 2СО. (172)
нижней
е л н тел
зоне
ь н о й)
(171), з,верх-
(условно на-
no сста ио-
реакция
горения (кислородной пли так называемой
протекают,
В
ОКИ
(169), (170) и
ней же зоне
зывающейся
витсльной)
(172).
Исследования 3. Ф. Чу-
ханова и др. показали, что
по мере уменьшения содер-
жания кислорода в кисло-
родной зоне в газах одно-
временно появляется и по-
степенно увеличивается со-
держание СО:, и СО (рис.
347). При этом отношение
СО; : СО нЛн
главным образом, реакции
Г(|ЗОЗ
топлива
317. 11.;мi:।iг11111-
В СЛое !<.|р»|Д1:Ч’О
коэфициент
сгорания (Т|
ой ределяется, главным
образом,тем-
пературой, от которой зависят скорости реакций (169) и 170):
или
гдя б, и /ы —энергии активации реакций (160) ц (170); щ, а>,
а, Ь- ;<(гЭфициеиты.
Г.шх видно из рис. 317г o rinHiH’itiK.' с Ab : СО cp;ir.i!i:T.'. iым
1' ।1Я < [ С Я |1 к 1 lC/[r ! if) । [ I i / т1С "1111 >[. Восит,') Hi ?!'l! I C.l i»-
Hoib жи а'Шиую ро^тг, ]l|ннмtl'r->с г рстшня и r<viep-
Жанне C( 1 пите цен вил увсли'пп.пп'тся з.з счет СО,. С-Щл |н шк ш тя,
как следгсг из сопоставления ее энергии актпнаипп (/-Осэпер-
534
Плавна 4i,'.?iina
гией активации (£,) реакции
и имеет большое значение в
(169) идет с большой скоростью
Рис. 348. Влияние линейной ско-
рости дутья на состав газовой
фазы при горении а слое топлива:
1 — актмпировакныц уголь;
2 — кокс) 3 — электродный уголь
процессе горения топлива в ваг-
ранке. Теория горения углерода в
слое твердого топлива за послед-
нее время в значительной степе-
ни выяснена благодаря работам
советских ученых: Д. Л. Франк-
Каменецкого, Я. Г. Зельдович,
М. К. Гроздовского, 3. Ф. Чуха-
нова1 и др. Эта работы рассма-
тривают горение угля, как мно-
гофазный процесс, происходя-
щий на границе соприкосновения
газов с топливом и зависящий,
следовательно, от скорости хими-
ческой реакции, с одной стороны,
и скорости диффузии газа, с дру-
гой стороны. Исследования пока-
зали, что скорость химических реакций значительно превосходит
скорость диффузии газов при температурах выше 1100—1300°.
При этих температурах горение происходит в так называемой
диффузионной области, где скорость процесса лимитируется и
определяется диффузней. Наоборот, при низких температурах
скорость химических реакций оказывается меньше скорости диф-
фузии газов, и скорость горения топлива в этих условиях опре-
деляется кинетикой химических процессов (так называемая ки-
нетическая область).
При изложении теории горения топлива в слое часто уделяется много
внимания вопросу о том, что является первичным продуктом реакции: СО или
СО г. При этом различают три теории: I) редукционную теорию, утвер-
ждающую, что первоначальной реакцией при горении углерода является обра-
зование С03 (реакция 170); 2) первичную теорию, рассматривающую го-
рение углерода, как процесс двух последовательных реакций (169 и 171) с
первоначальным образованием СО; 3) комплексную теорию, рассматри-
вающую горение углерода, как резулвтат одновременного образования СО и
СОа, В настоящее время этот вопрос служит еще предметом теоретических
споров и не имеет большого значения (отделить СО, образованное в резуль-
тате первичной и вторичной реакций, не представляется возможным)
Практически важно, что в окислительной (кислородной) зоне образуются
как СОа. так и СО и что над этой зоной горения идет процесс восстанов-
ления СОа.
। Эксперименты дали следующие значения величины энергии активации
реакций (169), (170) и (172):
Ei Et
Электродный уголь 4ЮОО 29000 41000
Кокс южный 270(,0 13000 28000
Величина £| — для обоих углей примерно одинакова (около 12000'—
14000 Хйл/лолп), вследствие чего и соответствующие отношения СО : COj
мало отличаются друг от друга (рис. 348).
Теоретические основы, процессов плавки и перегрева чугуна
53э
—Ш зона
—Изомн
—Тз&а
Рис. 349. Кривые одинакового содер-
жания СОа (сплошные липни) и граница
присутствия свободного кислорода
(пунктирная линия) в газах 2-тонной
вагрйнкн
б) Зоны горения в вагранке. Воздух, подводимый че-
рез фурмы в вагранку, направляется к центру и вверх, реаги-
руя с коксом холостой колоши. Такое направление воздуха в
разные стороны соответственно изгибает линии или, вернее,
поверхности одинакового со-
става газов, как это видно
из литературных данных,
представленных на рис. 349.
Судя по кривым рис. 349,
можно заключить, что воз-
дух направляется сначала
к центру, а затем загибает-
ся к стенкам вагранки, об-
разуя некоторое разреже-
ние в середине печи. В свя-
зи с этим концентрация СО$
в газах сначала быстро,
з затем медленно возраста-
ет по направлению к центру
и особенно быстро увеличи-
вается у футеровки, дости-
гая там максимальных зна-
чений. При этом граница
использования свободного
кислорода также имеет ко-
нусообразную форму. У
фурм наблюдается высокое
содержание кислорода, которое постепенно убывает за счет об-
разования СОз и СО. Выше же границы использования кисло-
; рода концентрация СО в газе возрастает уже за счет пониже-
ния содержания СО2 в результате реакции восстановления (172}-
, На некотором расстоянии от фурм состав газов почти не ме-
няется вследствие понижения температуры и малой скорости
' реакций.
В вагранке, следовательно, можно различать следующие че-
тыре зоны горения (рис. 349j, положение которых зависит от
многих факторов.
1. Горновая зона, в которой не происходит горения, за
исключением небольшой верхней части, куда воздух попадает
под влиянием живой силы. Только во время открытия летки,
когда воздух из фурм частично направляется вниз через выпу-
скные отверстия для металла или шлака, в горне происходит
горение топлива. В ойычных же условиях газы в горне находят-
ся в равновесии с углеродом топлива и состоят почти исключи-
тельно из СО.
536
Плавка чугуна
2. Кислородная зона, которая отличается наличием
свободного кислорода в газах. Газовая фаза в основном состоит
из СО2, СО, О2 и N2. В этой зоне происходит интенсивное го-
рение топлива (в так называемой диффузионной обла-
сти), л газы соответственно имеют резко окислительный ха-
рактер, Так же как в предыдущей зоне, чугун находится здесь
в жидком состоянии.
3. Восстановительная зона, характеризующаяся те-
чением реакции (172), по которой СО? восстанавливается в СО.
Газы в этой зоне содержат, главным образом, СОэ, СО, Nar
причем коэфициент сгорания, конечно, меньше, чем в окисли-
тельной зоне. Горение углерода происходит за счет СОг, и га-
зовая фаза носит окислительный, (по отношению к углероду), а
не восстановительный характер. В этой зоне располагается
пояс плавления металла. Поэтому в нижней части зоны чугун
находится в жидком состоянии, а в верхней части — в твердом.
Горение происходит отчасти в диффузионной области (внизу),
отчасти в реакционной (вверху).
4. Зона подогрева, в которой происходит подогрев
шихтовых материалов. Температура здесь уже настолько низ-
ка, что реакции протекают только в реакционной области и в
сравнительно ограниченных размерах. Металл во всей этой зо-
не находится в твердом состоянии.
Соответствующее изменение состава газов по высоте ва-
гранки иллюстрируется следующими литературными данными
(табл. 50).
Таблица 50
Изменение давления, температуры и состава газов по высоте вагранки
Расстояние ОТ fbvtJM Состав газов, % Коэфипиецт сгсраикя Т|Ч = .(00 CO+ СОа Давление газов, вод. ст. Температура °C
С03 СО Оц Ns Hi сн.
Фурмы 18,7 6 1 ,.5 75,6 1.0 о,б 76 400—450 1650—1700
5'10 15.9 8,9 0,7 75,3 1,0 0,6 64 385 -345 1690-1720
700 13,8 10 6 <|,4 75,1 1,0 о.б 57 200—?30 1630-1680
800 11,6 12,0 0,1 74,3 1,0 i’,6 47 20:) — 260 1500-1620
900 9,4 15,1 ч,1 7ч,7 1,0 0 6 38 165-205 1440—1.510
1 НЮ 8,1 17.0 (', 1 74,5 1,(1 0,6 32 125-150 1325—1380
Ц(Ю 10,2 i4,0 0,1 74.6 1,0 а, 6 4’2 75—40 1225 -1380
1800 12. к 1! ,8 0,1 74,6 1,0 (1,6 52 15-25 850—910
22иО 3 гру- зом ное отпер- 13,2 !|,2 0,2 71,1 1.0 0,6 54 0-0 700—800
стие 15,7 9,4 0,4 73,3 1,0 0,6 62 —10—0 350—500
- Теоретические основы процессов плавки и перегрева чугуна
537
Давление внутри вагранки постепенно понижается по высо-
те в соответствии с уменьшением столба материалов и падением
его сопротивления, у самого загрузочного отверстия обнаружи-
вается иногда даже разрежение. Коэфициент сгорания сначала
понижается, а затем вновь повышается из-за обратного течения
реакции (172). Температура в вагранке постепенно' понижается
от фурм к колошниковому отверстию.
в) Влияние разных факторов на зоны горения
и состав газов в вагранке. На зоны горения и состав
газов в вагранке оказывают влияние, главным образом, следу-
ющие факторы; количество и качество топлива; количество,
подвод, состав и температура воздуха.
Важнейшими свойствами топлива являются его горючесть
(скорость реагирования с кислородом) и реактивность (скорость
реагирования cCOJ, объединяющиеся под общим понятием
реакционной способности1. Эти свойства находятся
обычно в прямой связи с активностью углерода и оказываются
тем выше, чем больше реакционная поверхность топлива.
Реакционная способность топлива увеличивается с размель-
чением кусков горючего, с увеличением их пористости и трещи-
новатости, а также с повышением содержания в них более
активного аморфного углерода, летучих, маслянистых битумов
и так называемого остаточного соединения (соединений углеро-
да и водорода). В связи с этим кокс и антрацит, отличающиеся
сравнительно большой плотностью, характеризуются меньшей
реакционной способностью, чем древесный уголь. При этом ак-
тивность всех видов топлива резко увеличивается и выравни-
вается с повышением температуры.
С увеличением реакционной способности топлива скорость
горения повышается, вследствие чего высота восстановительной
зоны в вагранке уменьшается, а содержание СО в газах увели-
чивается. Поэтому горение в слое древесного угля дает газ
более богатый СО, чем горение в слое кокса (рис. 348). То же
подтверждается при сравнении составов газов вагранок, рабо-
тающих на коксе и древесном угле.
Такое влияние качества топлива показывает, что в условиях
плавки в вагранке горение в верхних зонах протекает в кине-
тической области, вследствие чего состав газов зависит от
свойств топлива. В кислородной же зоне и в нижней части
1 Горючесть определяется по скорости выгорания стандартных образцов
топлпви, по размеру кислородной зоны и с-юе топлина. по наивысшей тем-
пературе горения в этой зоне н т, п, P<?;jктц^ипетгл определяется отношением
ц > 1 „
1 которое образуется после пропуска СО2 через сдоя топлива
при 1000-'. Это отношение показывает, какая часть газа восстановилась
Применяются й другие способы определения реактивности.
538
Плавка чугуна
Теоретические исчоеь/ процессов плавки и перегрева чугуна
539
восстановотельной горение происходит в диффузионной области
и от активности углерода топлива не зашнпгг. Однако поверх-
ность реагирующего топлива и здесь определяет скорость про-
Несса. И связи с этим исследования показывают, что с увеличе-
нием размеров кусков топлива (п ого плотности) граница ис-
пользования кислорода в газах 1
Рис. 350. Влияние размера кусков кокса
на положение окислительной зоны и
состав газон в вагранке
вагранки повышается (рис, 350).
Другим важным факто-
ром, определяющим ход го-
рения в вагранке, главным
образом согласно реакции
(172), является относитель-
ное количество (удельный
расход) топлива, которое
тратится на единицу или
100 кг расплавляемой ме-
таллической шихты. Этот
фактор,
пость
чина
может
жен не
ион зоны в вагранке,
личение.
ШИХТЫ.
в противополож-
предыдущему (вели-
куског, топлива), не
уже влиять на поло-
и размер кислород-
Уве-
топлива
расхода
повышает только высоту
ХОЛОСТОЙ КОЛОШИ или пояс
плавления, так как взамен
сгоревшего топлива холо-
стая колоша восстанавливается за счет большой рабочей топ-
ливной колоши. Поэтому, как показывают исследования, уве-
личивается третья (восстановительная) зона и соответственно
уменьшается относительное содержание СО2 в газа'х (рис. 351).
Положение же кислородной зоны и состав газов в ней мало за-
висят от удельного расхода топлива.
В этом отношении вагранка отличается от других печей.
При увеличении расхода топлива в форсунках одновременно
уменьшается избыток воздуха и изменяются условия горения в
печи. При горении топлива в вагранке нельзя пользоваться
обычными представлениями об избытке пли недостатке воздуха.
Условия горения в кислородной зоне (внизу) не могут зависеть
от расхода топлива, определяющего высоту холостой колоши 1.
(., повышением расхода воздуха перемешивание и диффузия
газов, а также скорость горения увеличиваются. Однако высоты
1 Некоторое Изменение условий горения в кислородной зоне возможно
вследствие изменения температуры и этой зоне в связи с уменьшением
производятелинйюн при увеличении удельного расхода кокся.
кислородной и восстановительной зон
скорость горения даже в диффузионной
СЯ ПрОПОрЦШШЩшш, скорости двпжегшя
этому обе зоны горепия (кислородная
расширяются. При этом со-
став ваграночных газов ме-
няется лишь в той мере,
в какой меняется темпера-
тура в соответствующих
зонах вагрлнкн. Однако
увеличение количества воз-
духа, вводимого в вагран-
ку, имеет предел (около
150 „ч3М!2 мин). Это объяс-
няется тем, что большое
количество воздуха сильно
охлаждает область у фурм
и может привести иногда
к полному прекращению
горения.
1 Скорость движения
муле;
возрастают, поскольку
области не увелнчпвает-
газов в вагранке1, no-
il воесстаиошпельн.чя)
Рис. 351. Влияние удельного рас-
хода кокса ид относительное со-
держание COj и газах вагранки
газон и на гранке может быть определен по фор-
X - Qll’\
где Q _ объем проходящих газов.
F — сечение загранки.
Принимая Q./F — 130 лР/лгг,чи«, определим условную скорость газов
1'2(1
г-=2^х.
Если учесть, что свободное селение вагранки равно от общего
2
сечения по/учни « 4 м,сек Истинная скорость зависит еще от темпе-
т 0,5
ратуры газов. Принимая среднюю температуру юзов в вагранке в J000°,
получим среднюю скорость движения газов:
4 (1000 4- 273) f
»еР = ------273-------- 18,5 л/сек.
В зоцо же горения где температура достигает 1600°, скорость движения
4 (.6.0 Ж 273) ,
тазов: о =-------~273------= м^ек.
Соответствующее время пребывания газон н вагранке при высоте ва-
гранки 5 л составит:*( — - г 0,27 сек.
1 п о
0,7
В .ч<п1с г'ннччтп, занимающей высоту о к1 ’Ж ’ 0,7 лк - 0.01'г’ 1
Jo
Таким образом. время пребывания газов в вагранке весьма мало зна
читвлт.по меньше, чем в доменной печи, где оно составляет несколь-
ко секунд.
540
Плавка чугуна
Рис. 352. Газовые
потоки в вагранках
с одним и двумя рядами фурм
Количество воздуха, вводимого в вагранку, ограничивается
скоростью реакции. Все мероприятия, ускоряющие реакции,
например повышение температуры воздуха или увеличение со-
держания в нем кислорода, повышают предельное количество
воздуха, которое можно вводить в вагранку. В то же время
указанные факторы понижают
кислородную зону в вагранке.
Высота же восстановительной
зоны при этом может и увели-
читься вследствие соответству-
ющего повышения темпера-
туры.
Способ подвода воздуха и
равномерное распределение
воздуха по сечению вагранки
имеет большое влияние на го-
рение топлива. С этой целью
применяется не только доста-
точное количество фурм по пе-
риметру вагргнки, но и специ-
альная регулировка количе-
ства воздуха по отдельным
фурмам. При этом большое
внимание уделяется в послед-
нее время дополнительным ря-
дам фурм, которые, как пока-
зали Л, М. Мапиенбах, В. П.
Чернобровкин, Д. Лоури и др.,
дают более равномерный га-
(рис. 352). Правильно устроенные
способствуют некоторому дожг.га-
газовый поток в вагранке
дополнительные ряды фурм
нию СО, а следовательно, и повышению содержания ССЬ в га-
зах, С этой целью устраивают иногда несколько дополнительных
радов фурм, так называемые многорядные фурмы. Через
эти фурмы следует подводить небольшое количество воздуха.
Если же дополнительные фурмы создают новый очаг горения
топлива, они несколько расширяют кислородную и восстанови-
тельную зоны в вагранке, но не изменяют состава газов, В
ЭТОМ
случае они действуют аналогично увеличению количества воз-
духа, который можно вводить и через один ряд фурм.
г) Горение в других печах. Процесс горения в дру-
гих печах в большинстве случаев соответствует торсипю жид-
кого, газообразного или пылевидного топлива в форсунках. Тео-
рия этого процесса рассматривается подробно в курсе «Метал-
лургические печи». Поэтому укажем только, что процесс этот
Теоретические основы процессов плавки и перегрева чугуна
541
радикально отличается от горения в слое топлива, так как ре-
зультаты горения в факеле зависят уже не только от качества
топлива, состава и температуры воздуха, но и от соотношения
между количествами топлива и воздуха, подаваемыми в форсун-
ку, а также от совершенства их смешивания, обмерла рабочего
пространства и наличия катализаторов. В зависимости от всех
этих факторов могут сильно варьировать состав продуктов го-
рения, характер атмосферы в печи и температура рабочего
пространства. При этом изменение соотношения между количе-
ствами воздуха и топлива является одним из наиболее важных
методов регулирования процесса горения в печи.
д) Математический а нал изсоста в а ваграноч-
ных газов. Математический анализ ваграночных газов дол-
жен прежде всего определить правильность химического анали-
за, как средней характеристики состава газов. Для этого может
служить общее уравнение ваграночных газов, построенное на
балансе кислорода. Принимая, что горению подвергается чи-
стый углерод и что кислород воздуха (О2 = ~~ N) распреде-
ляется между газами н шлаком, получаем:
СО, + + О, + О,„л = “J- N,.
где СОа. СО, О2 и N; — соответствующие концентрации состав-
ных частей газов;
О,,,.,— количество кислорода, ушедшее в шлак,
считая на 100 частей газа.
Подставляя в последнее уравнение N2 = 100—СО2 — СО —
— О2, получим после преобразований1:
СО + 1,65 (СО2 + О,) = 34,7 — 1,31 Ошл, (174)
Если весь кислород перешел в газ и шлак, уравнение (174)
представится в виде прямой ВС в осях СО и СОе-+-Ог (рис. 353).
Прямая ВС показывает соотношения между СО и СО2 + О2
для случая чистого горения. Из рис, 353 и уравнения (174)
видно, что при полном сгорании углерода (СО^-О) концентра-
ция СО2 ф- О? — 21 %. Наоборот, при СОа-|-Ог = 0, т. е. при
чисто газогенераторном процессе, СО —34,7%.
Во всех случаях, когда наряду о горением углерода проис-
ходит окисление примесей чугуна и переход части Ог в шлак,
газы в вагранке должны располагаться внутри треугольника А В С
(рис. 353).
। Формула (174) нс принимает во внимание СОг, получаемого пл извест-
няка, Прибавляемого в качестве флюса и шихту вагранки. Соответствую-
щую поправку можно сделать путем вычитания СО; известняка (0,5—
1.5%) из общего содержания СО» ф- Oj газа.
542
Плавка чугуна
Вместе с тем угар железа и прпмсеей. а следовательно, и
величина О также ограничены при планке « вагранке. Можно
принять, что’ металлургический угар элеш’нт[1 nptl пл.'шке в
вагранке колеблется в пределах от 1 до 5%, чему примерно со-
ответствует количество потребного кислорода от 0,3 до 1,5 м3.
Количество же газов составляет от GO до 140 /Л100 кг чугуна.
На этом основании, пользуясь формулой (174), можно опреде-
лить состав газов при максимально возможном угаре в вагранке
(прямая £)£), Поэто-
му все действительно
средние анализы газов
вагранок долхуны рас-
полагаться внутри че-
тырехугольника BCED.
Наоборот, все составы,
лежащие вне его, яв-
ляются неправильными
и не могут характери-
зовать средний анализ
ваграночных газов.
Рис. 353. Диаграмма для графического опре-
деления правильности диализа соетщвд ва-
граночных газов
Пользуясь уравнением
(174}, можно также при-
мерно оценить, при пра-
вильном анализе газов, ш>-
личину угара при плавке
из анализа газов, определить их
при плавке в вагранке через К,
в вагранке. Для этого необходимо, исходя
количество (на 100 кг чугуна}.
Если обозначить процент расхода кокса
процентное содержание углерода в нем через С, то расход углерода на 100 кг
тС
чугуна составит —кг, L другой стороны, количество углерода, находяще-
(СО-СОа)12
22.4
еся в 100 м? газа, составляет
• Принимая далее, что весь угле-
род в газах получается только э результате горения кокса, можно определить
количество газов на 100 кг чугуна;
KC22.4 - 100 __ 1.87КС э
100 (СО + СО2) 12 ~ СО + СО.3 М '
(175)
Исходя из формул (174) и {175} и принимая, что для окисления 1% при-
месей чугуна в среднем необходимо 0.3 м3 кислорода, можно приближенно
определить величину угара при плавке в вагранке;
у = 1 .«7 КСО,нл = 0,062КСО„,л о/
(СО+СОД кю - о.з со + со2 /о‘ (
Пользуясь данными амалкаа газон, можно также определить и количество
воздух.т, подаваемое в вагранку ЯД 100 м3 газа;
~ Na= (ЮО - СО3 - СО - О,). (177)
Теоретические основы процессов плавки и перегрева чргрна 54S
Производя соотпетствующце расчеты, легко определить по анализу газов
количество воздуха, подаваемое нд 1 кг углерода (И^) п 100 кг чугуна
(IV,У).
уус _ 11)1) (Ц)|| _ СО.-^-СО —О2) 22.4 _
" ~ 79 (СО 4-СОг) 12
__ ~ ~~ < :О — Oj) _ 2 37 / ~~ __Л (178)1
CO + COS ” ’ \С0 + СО2 /
UZ4 = J-37KC / wo-o2 _ Л мЭ (179>
н (00 \СО 4-СОа /
Анализируя формулы (178) и (179), можно видет, что ко-
личество воздуха, потребляемое при плавке в вагранке, тем
больше, чем больше содержание СОа в газах (с увеличением
содержания СО? уменьшается концентрация СО -Н СОг) и чем
больше расход топлива (КС).
со.
Как видно из рис. 351, коэфициент сгорания ^^cq/lco?100»
а следовательно и содержание СО2 в газах возрастает с умень-
шением расхода топлива.
Эта зависимость, по некоторым данным, определяется еле*
дующим образом:
= + <!Ч°)
100
Пользуясь формулами (174), (178), (179) и (180), можно
рассчитать состав газов, коэфициент сгорания и количество
воздуха в зависимости от расхода топлива (табл. 51).
Как видно из табл. 51, количество воздуха, приходящееся
на единицу углерода, понижается с увеличением расхода топли-
ва. Несмотря на это, количество воздуха, приходящееся на
единицу расплавляемого чугуна, при этом возрастает.
Зная количество воздуха, подаваемое в вагранку, можно
легко определить ее удельную производительность ?:
5 = = б —/«Ли2 час, (181}
10 IF’
1 В литературе встречается часто другая формула:
шс=4,4б J29J21. (178а)
> 1W \ /
Однако, эта формул® ве учитывает ни кислорода в газах, ни кислорода
на окисление примесей.
544
Плавка чгдч/на
Таблица 51
€о< гав газов и количество воздуха в зависимости от расхода топлива
в вагранке
I i 1 НС ,13.1 TV Л и — ‘'"'7— - : 12 | |Я | | ;W
V. Ао 91 53 40 34 30
соа, % 18,5 13,5 11 9,5 8,5
со. % 2,0 12,1 16,2 18,8 2d, 5
СО 7~ СО31 % 20.5 25,6 21.1 28,3 20,0
Ч' а, аЛ'кг С ..... . 8,15 6,85 6,2 5,95 5,75
W'JJ, .и’/JOO кг чугуна . . 41 70 95 120 145
где VV’ — количество воздуха, подаваемое в вагранку на 1 м-
сечеиия в минуту;
— количество воздуха, подаваемое на 100 кг чугуна.
Подставляя значение W * из формулы (179), получим:
» S = 252 ------—-—-------— }п!м2 час. (181 а)
, /юо —о, \ ' к
Как видно из формулы (181а), производительность вагранки
возрастает с увеличением количества дутья и с уменьшением
расхода топлива. При этом зависимость производительности
вагранки от количества воздуха является прямо пропорциональ-
ной, поскольку состав газов (СО 4- СОг) мало зависит от коли-
чества дутья. Зависимость же от расхода топлива не является
пропорциональной, так как с увеличением расхода топлива со-
держание СО-i-С О 2 в газах возрастает (табл. 51), что несколь-
ко уменьшает интенсивность влияния этого фактора (табл, 52).
Таблица 52
Влияние количества воздуха и расхода топлива
на удельную производительность вагранки
Рас.хлд ТОиЛНг'а С) Удельная про из нод цт ель я ость вагранки 57м/,н3 г/ас?
U" 6'1 .и-’/.н'.Я// л1 Л11 .ъГ 'Лг 7* U^TiKi -1г7лг П-г=И20 № 111)
6 7,8 10,4 13(7) 15.6(?) 18.60
12 5.1 6,7 8,5 10.1 11,8
18 3,7 5,0 6 2 7.5 8,7
24 3,0 4,0 4.9 5.9 6.9
30 2,4 3,2 4.1 4.9 5.7
Теоретические основы процессов плавки и перегрева чиста
545
Расчеты табл. 52 подтверждаются литературными данными,
(рис. 354).
Следует указать, что расход кокса в 6% (табл. 51 и 52)
почти не имеет практического значения, в особенности при
обильном воздухоснабженни (выше 100 мг/м-мин). При этом
получаются по расче-
ту недостижимые в
вагранке производи-
тельности (съемы с
1 м2 плошали). Воемя
сжигания коксовой
колоши и сход метал-
лической колоши в
этом случае столь ма-
лы, что чугун не
успевает плавиться и
появляется в виде чу-
шек у фурм, что при-
водит к заморажива-
нию вагранки. Поэто-
му слишком быстрый
сход колош является
опасным,
В нормальных ус-
«оличестбп Тюлдухи, мЦмин
Piic. 3.)4. BjiHMiiiie количестна (юздухд и
расхода TOir.'iiiii.-i на ! [ршгдадитеJibiroCTi, ва-
граакп
ловлях плавки время пребывания шихты в ваТрапкс от момен-
та завалки до расплавления составляет 0,4—-0,75 час. Это
время определяется по формуле:
---——- _-------------- =----—------- (182)
Q Уш (1— Ю FS Уш (1 — <0 5УШ(1— =) ’
где VB—объем вагранки выше пояса плавления, м3;
Q — производительность вагранки, т/чпе;
У|Е—объем шихты (металла, топлива, флюсов), заваливае-
мой на тонну металла;
а — коэфпш-гент уплотнения шихты в вагранке;
У7 — сечение вагранки, лг'г;
S — удельная производительность, т!м?час;
К — высота вагранки выше пояса плавления, л.
Подставляя значение S из формулы (181а), получим:
//КС ! 100 -<>а
252 IVVa, (1 — а) \ О) + СОД;
(182а)
Таким образом, время пребывания шихтоввгх материалов
в вагранке до их расплавления тем больше, чем выше вагранка
35 Зак. 805
546
Плавка чугуна
и больше расход топлива и тем меньше, нем больше количе-
ство подаваемого возуха и объемный вес шихты.
3. ПЕРЕГРЕВ ЧУГУНА
Получение жидкого чугуна высокой температуры является
необходимым условием всех современных способов повышения
механических свойств отливок и борьбы с браком.
Именно с этой точки зрения, главным образом, должны оце-
ниваться разные типы печей для плавки чугуна.
а) Теоретические основы перегрева чугуна
при плавке в вагранке. Механизм перегрева чугуна
в вагранке значительно сложнее, чем в других печах, и теория
этого вопроса остается до сих пор недостаточно разработанной.
Как видно из рис. 344, перегрев чугуна при плавке в вагран-
кс возможен еще в твердом состоянии и зависит от строения
шихтовых материалов и скорости нагрева. В связи с этим пере-
грев чугуна в твердом состоянии тем больше, чем больше коли-
чество стального скрапа в шихте и чем быстрее происходит сход
зывалось, что серый чугун пере*
в
колош. Точно так же ранее ука.
гравается в твердом состоянии
г
большей степени, чем белый.
Практика показывает, что
температура жидкого чугу-
на в вагранке повышается
с увеличением количества
стали и серого чугуна в ших-
те. Поэтому можно сделать
заключение, что дли полу-
чения жидкого чугуна высо-
кой температуры соответст-
вующий перегрев в
состоянии имеет
важное значение,
с тем перегрев
в жидком состоянии
еще большую роль.
Распределение темпера-
тур по высоте вагранки
(рис. 355) показывает, что
у фурм наблюдается резкое
,, , медленное падение ее по вы-
соте печи. Зная температурь! плавления того или иного м.ттс-
%
'а
I
ВерхнийуроёеяЬ облплти
йй7 ввомю-шю-мо
Гемперимура, °2 1
Рис. 355. Схема распределения темпера-
тур по высоте вагранки и перегрев чу-
гуна в жидком состоянии
HujkwHдроЗенё^офласти t°> 1200°
УроёенЬуурп
повышение температуры, а затем
твердом
немало-
Вместе
чугуна
играет
1 С у И ел и чсн нем значения КС увеличивается немного значение СО + СОг
(табл, 51), однако в значительно меньшей степени. Поэтому величина
в формуле (Itoa), несмотря на это, возрастает.
Теоретические основы процессов плавки и перегрева чугуна
547
риала и распределение температур по высоте вагранки, можно
определить уровень зоны, в которой господствуют температуры
выше точки плавления. На рис, 355 в качестве примера пока-
заны границы этой зоны для случая, когда температура плав-
ления составляет 1200*. Верхний уровень зоны представляет
область плавления металла. Следовательно, металл плавится
на этом' верхнем уровне, проходит область более высоких тем-
ператур и соответствено перегревается. Затем оя поступает
в более холодную зону у фурм, несколько понижает свою тем-
пературу и попадает в горн.
Можно принять, что перегрев чугуна в жидком состоянии
(ДГ) должен быть тем выше, чем больше максимальная темпе-
ратура в вагранке (Тмя„с ), чем выше пояс плавления (й) и чем
круче подъем температуры у фурм.
Перегрев, следовательно, определяется в некотором масшта-
бе площадью, заштрихованной на рис. 355: .
АТ = aft Гмамс, (183)
где a —коэфициент, учитывающий условия теплопередачи и ха-
рактер температурной кривой в вагранке.
Величина перегрева чугуна может быть также определена на основе об-1
щего баланса тепла в зоне горения. Металл вместе с шлаком приходит в
жидком состоянии в зону горения и здесь перегревается „а величину ДЛ на
что потребуется тепла (на ICO кг чугуна):
Q4 •= 100 Т сч,
где р — коэфициент, учитывающий расход тепла на перегрев шлака;
сч— теплоемкость жидкого чугуна.
Это количество тепла (СМ. а также потерн тепла па лучеиспускание и
Конвекцию (Qu) и на соответствующий нагрев пазов до температуры Т макс
покрывается теплом, вносимым воздухом (QJ и выделяемым в результа-
нте горения кокса (Qk) и примесей чугуна (<2лр‘:
5ч 4- Qr 4" Qu = Qr + Qu + Qnp- (184)
Расшифровывая значение членов формулы (184), получим:
100 j3A Тсч -р IVг сг ?макс + Qn ~ 4Vg св 7 +
+ (2497 + 8137 -4^-) + Qhp. (184а)
\ 100 • 22,4 100 -22,4 /
где: М’г, сг ____ количество и средняя теплоемкость ваграночных газоз в
зоне максимальных температур;
1(/в,с^-f— количество, теплоемкость и температура воздуха, иода-
ваемого в вагранку;
1ргг СО 12 • „ й г со, :2
«497 —т.тп—я eld7 "Г-— П(,_Г — тепло, выделенное при
» zz,1* ll'v » 22
рода в СО и СО3 в зоне горения.
горО|<ия угле-
35*
548
Плавка чугуна
Теоретические основы процессов плавки и перегрева чугуна
549
2,37 КС
л lUo \ СО+СО3
Из формулы (184а) можно определить перегрев чугуна:
AT-[IV ;; r'B t + И^(13.3СО + 43.7CO.J -сгТмаК1,) -ь Qin1 — Qn] (185)
Подставлчя значения W г и И- J нз формул (175) и (179), получим окон-
чательно поело простых преобразований:
б-ПКС
+ Q пр Q п
(185а)
100-Оа
„ Я71Т 1Э'3СО+«.7 СО, -г
св7-Н ,87 1уС
bCO,
1008сч
/емлврмпурр лтл^
б
Рнс, 3;>G. Схемы слияния расхода кокса
П.1 максимальную температуру в вагранке:
* Henp0Kiwi.£io; fl • • при гц-"ъло
cotiTi идет сует составу газа н зоне максимин i. и ы
Теоретический анализ, подтверждаемый практикой, показы-
вает, что перегрев чугупа при плавке в вагранке повышает-
ся с увеличением расхода воздуха и кокса,
с повышением коэф и ц пента сгорания и темпе-
ратуры дутья и с уменьшением потерь в зоне
горения.
Исходя из формулы (18а), можно было бы думать, что уменьшение рас-
хода топлива, влекущее за собой увеличение отношения СО2 ; СО (180),
имеет следствием увеличение количества тепла при горении н соответствую-
щее повышенно 7'm;ibc , как что представлено на рис. 355, а.
Однако такая топ it а зрения явно шшрааплыг.т и исходит из ие примени-
мого дли на гривки представления об избытке воздуха. Уменьшение расхода
топлива в вагранке
не может зп ачп тел ын>
изменить условии горе
1ц[я в зоне Г мине и, сле-
довательно. не может
повысить там темпера-
туру. Наоборот, умень-
шение расхода тогыиш!
влечет за собой повы-
шение производительно-
сти, т. е. увеличение ко-
личества жидкого метал-
ла, проходящего через
зону горения и, следо-
вательно, пе увеличе-
ние, а понижение тем-
пературы в вагранке,
причем пояс плавления
при этом понижается
(рис. 356, б).
Поэтому следует иметь
в виду, что значение СО
П СО2 в формуле (185)
TCMncpiiTyp Ц 1}рГ) t |i.>-
ложность формуле (180). лжякjmert влияние расхода топлива на со-
став KfhBJiii шгконнх ПЙОЦ. Отсго.|а Липатов 11 л р ало ксь чтоь веемо г пн it л
т о, ч i о с у в с л н ч с tT п е м р с о д а топлива' коз ф и н лепт
сгорания отходящих в д г р J и оч н ых газов уменьшается,
темпсратура перегрева жидкого чугуна все же позы-
шлется.
б) Влияние количества воздуха, расхода
топлива и производительности вагранки. Ко-
личество воздуха и расход топлива, определяющие производи-
тельность вагранки, являются важнейшими факторами, влияю-
щими па перегрев чугуна. Изменяя количество воздуха (W\)
и расход топлива (КС), а вместе с тем и производительность
(5) вагранки, можно представить следующие три вар пакта
изменения хода вагранки:
117 п—постоянная
КС—переменная
S —переменная
1ГЕ— переменная
КС —постоянная
S —переменная
и
Ш
1ГВ—переменная
КС—переменная
S —постоянная
В первом варианте изменяется расход топлива при неизмен-
ном количестве воздуха. В этом случае при увеличении расхода
топлива будет уменьшаться производительность вагранки. Тем-
пература чугуна будет увеличиваться, так как пояс плавления
повышается, а количество жидкого металла, подлежащее пере-
греву, уменьшается.
Во втором варианте меняет-
ся количество воздуха при по-
стоянном расходе топлива, В
этом случае с увеличением ко-
личества воздуха будет повы-
шаться и производительность
вагранки. Вследствие большей
интенсивности горения и плав-
ления количество выделяемого
и потребляемого на перегрев
тепла будет увеличиваться.
Потери в единицу времени ос-
танутся без изменения и тем-
пература в вагранке, следова-
тельно, повысится,
В третьем варианте одно-
временно меняются оба фак-
тора (количество воздуха и
расход топлива) таким обра-
зом, чтобы производительность
осталась без изменения. В этом
случае увеличение расхода воз-
духа и ток.чина приводы к ио-
вьпнешио колнщ'с.пш те пл а,
Так как ироизподп гелы((щт1,
темпера гура в печи повысится
чем в первых двух вариантах,
ся л и тер а т у р и ы м 11 данными
выделяемого в единицу времени.
вагранки при этим не меняется, го
. /у.М--'час
Рис. 357. 3;1П|1симостт, температуры
жалкого чугуна от ксшпчестпа воз-
духа И pacxo/ia кокса при холодном
а подогретом дутье
357).
причем еще в большей сгошш.
1.',се что полностью иодч ш.'ржлае-’
(рис.
550
Плавка чугуна
в) Влияние качества топлива. Качество топлива,
т. е. его реакционная способность, пирометрический эффект,
кусковагость, плотность и строение, в значительной степени
Определяет перегрев чугуна в вагранке. С точки зрения теоре-
тической схемы (рис. 355) наилучшее топливо должно обладать
Температура. °C
Рис. 358. Влияние размера кусксв
кокса на максимальную температуру
и высоту пояса плавления в вагранке
фактора, показывают опыты Г.
максимальной горючестью для
уменьшения зоны низких тем-
ператур и минимальной реак-
тивностью для торможения
реакции восстановления и для
расширения пояса плавления.
Однако такое благоприятное
сочетание свойств практически
обычно не достигается, так
как оба свойства большей
частью изменяются в одну
сторону. При этом преобла-
дающее значение имеет реак-
тивность. Поэтому исследо-
вания показывают, что с уве-
личением кусковатости кокса
и его плотности (например,
при выжиге в широких каме-
рах) максимальная темпера-
тура и пояс плавления в ваг-
ранке повышаются (рис. 358),
в соответствии с чем темпера-
тура чугуна увеличивается.
Как велико значение этого
И. Клецкина, которому удалось
добиться путем сортировки кокса регулярного получения темпе-
ратуры перегрева чугуна выше 1420°.
Это увеличение кусковатости кокса все же имеет свой предел,
выше которого температура чугуна начинает падать. При этом
оптимальные размеры кусков кокса зависят от его качества, но
должны быть тем больше, чем больше диаметр вагранки, на-
пример:
Диаметр вагранки, мм 600 900 1200 1700
Опшмальный размер
кусков кокса, мм . . 65 100 125 150
Однако одна только кусковатости кокса еще не определяет
его поведения в вагранке. Необходимо, чтобы кокс был доста-
точно прочным и не очень сильно размельчался при опускании
шихты.
Теоретические основы процессов плавки и перегрева чугуна
551
В некоторой степени такое размельчение, как показывают
литературные данные, всегда происходит при плавке в вагран-
ке (рис. 395). Тем более опасен слабый кокс. Поэтому большин-
ство исследоваппй показывает, что температур3 чугуна повы-
шается с увеличением прочности кокса.
Неоднократные попытки установления связи между темпера-
турой жидкого чугуна я разными другими свойствами кокса,
Рис. 359. Размельчение кокса при его опускании в вагранке:
верк KtMpjiiiHHiia; 2
3 м шике колошника; 3 _ 300 мм над фурмами
в том числе его реакционной
способностью, не дали пока
четких результатов. Однако не-
сомненно, что более плот-
ный и менее активный
кокс обеспечивает б о -
'л е е высокий перегрев
.. я у г у н а.
г) Влияние подогре-
ве а д у т ь я. Как видно из фор-
(мулы (185), повышение темпе-
ратуры дутья (Г) увеличивает
“перегрев чугуна (ДУ), что
* подтвержается практикой
i (рис. 357, 360). Это объясняет-
ся не только увеличением
/макс, во и уменьшением ох-
лаждающей зоны у фурм и
-лучшей теплопередачей. По-
этому экономия топлива со-
ответственно больше, чем теп-
ло воздуха. Вместе с тем
коэфициент сгорания при этом
8рем г>
Рис. 360. Влияние подогрева
дутья на расход кокса, состав
газов и температуру чугуна при
плавке в вагранке
естественно уменьшается. По-
этому значительное повышение температуры чугуна возможно
только при правильном режиме плавки.
В связи с этим в опытах И. М. Лемлеха подогрев дутья до
250—300° имел следствием повышение удельной производитель-
652
Плавка чугуна
ности вагранки на 30% (>?—9—10 т/л&час) при соответствую-
щем уменьшении расхода топлива и повышснил коэфиипента
полезного действия с 22 до 37%. Однако температура чугуна
увеличилась при этом сравнительно мало, в среднем на 20—30°.
Значительно большие преимущества достигаются при высоком
подогреве, дутья, как это видно из данных Л. М. Мариепбаха:
Температура дутья, °C .......... 150—200 300—100
Уменьшение расхода кокса, % . . , 15—20 20—30
Повышение температуры чугуна. °C 20—35 30—50
Повышение производитель пости, % 10—20 25—35
100—600
15—50
50—Ш0
80- 100
При этом оказывается выгодной даже специальная установка
для сжигания топлива в воздухонагревателе, как это видно из
следующих литературных данных;
Расход кокса п пе^и Расход Тг.щдп^а Температура воздуха Общий РАСХОД КОКС1
% в возлух1т11ягревателс см ’°C %
10,0 /О 0 20 10
7,6 1,5 400 9,1
6,8 2,0 60н 8,8
5,2 3.0 8Щ) 8,2
Тем более выгодно использование физического н в особен-
ности химического тепла отходящих газов для подогрева возду-
ха. Исследования никазьшшос, что подогрев воздуха до 42’т
в вагранке диаметром 1500 дни дает ряд преимуществ, иллю-
стрируемых рис. 357. При одних и тех же расходах кокса и воз-
духа температура чугуна при подогреве воздуха повышается
примерно на 100°. В этих условиях производительность вагранки
не меняется, так как основные факторы, ее обусловливающие,
остаются постоянными. Если же стремиться получать одну и ту
же температуру чугуна, то при подогреве воздуха можно вести
плавку на меньшем расходе кокса (например 9% вместо 15 иля
7% вместо 13,5) и получать более высокую удельную произво-
дительность (7 т!м?час вместо 4,5 или 9 г/м-час вместо 6).
Подогрев дутья позволяет вести плавку на большем количе-
стве воздуха, что приводит к интенсификации процесса плавки
и к дальнейшему повышению температуры чугуна.
д) Влияние обогащения дутья кислородом.
Увеличение концентрации кислорода в воздухе также является
эффективным средством повышения темшчштуры горения. Такое
влияние обогащения дутвя кислородом объясняется, как показал
К. 11. Колодцев, умсшяш’Шшм балласта (\\>) в газах в пт.ш-
чшшс.м содл'ржапия СО, в кислородной зоне (табл. 53).
С(юг1штствеш|о повышаются температура горения и перегрею
чугуна, чему способствуют ташке уменьшение охлаждающей зо-
ны в вагранке и концентрация тепла в более узкой области.
Теоретические основы процессов плавки и перегрева чугуна
553
Таблица 53
Влияние содержания кислорода в дутье на состав газов
и температуру п кислородной и восстановительной зонах горения
Oi 5 дутье % Kj-lC^l'pCbJIirsiSj rv’inj |Ц’СС1 ii । loiihi fijlain н згна ВчсстлнинлсИИ<'
темпера- 1 ТУР 4. С со, % температура с со,. % абсолютнее Ht.ijrt честно- И отцпс пте ii (.nop келичкч’тио.
10,5 1120 8 0 1080 7 0 1,о 12,5
14,7 1340 11,0 1200 9,0 2 0 18,0
28 0 17С.0 16,5 1350 3,0 13,0 82,0
34 5 1750 20.0 1370 2 0 18,0 90,0
41,5 800 22,0 1400 0,5 21.5 98,0
Благоприятное влияние обогащенного дутья при плавке
в вагранке было экспериментально доказано В. К. Целиковым,
а затем Л. И. Леви.
Исследования показали, что при расходе кислорода в 25—
50 л-t3 на 1 т чугуна можно снизить расход топлива до 6—8%
и получать чугун с перегревом до 1400° При этом естественно
увеличивается также производительность вагранки При обыя-
июм же расходе топлива перегрев чугуна может быть доведс:! до
1450° и выше. Благодаря этим преимуществам работа награпоК
на дутье, обогащенном кислородом, получает широкое разки гас
на наших заводах.
е) Влияние кондиционирования дут ь я. Под
кондиционированием попимагот сохранение постоянными коли-
чества, состава и температуры дутья, г> частности его влаж-
ности.
Техническая литература уделяла много внимания вопросу
увлажнения дутья, как способу повышения температуры в зоне
горения вагранки. Особенно настойчиво рекомендовался способ
непосредственного подвода небольшого количества поды в реак-
тивное пространство (впрыскивание воды в фурмы).
Опыты показали, что при некоторой оптимальной влажности
дутья (от 2,5 до 8 а/.я3) температура чугуна может быть повы-
шена примерно на 20—ЗОЛ а расход кокса снижен на 5—10%,
в связи с чем производительность соответственно увеличиваетгя.
Такое влияние влажности обьясняется тем, что водяные нары
обладают большим к()л||ШШеитом лучеиспускания; кроме того,
1 Ji. II. Леин Утисржласт, нт,) и р<-ц. ;л i.tfi сын льстя и агиi:;< 11 vi^'.iri'iTr-
гастс:! ни ч ьс.'о 111, >д i (i ,j,r дуГ|,с да?щ' n i"'-i i'.ay чад о,', i, i ;. i :< j-'i '< 111 ct.'i ।«>
кис.'юыыа н avti.c ite гимспяетсч. O.-i11о -,то арнд ли tai:,ч<iл।<т;,|< как
счета;, га.?<>:.» щ.1Н этом мало измен а1' ’ (котфнинент егы'ыны .тажй vuc-
л[1чивается, что само по eerie прtiс.оанг К у меньше ап го праг ,a,i-,i:Teai.iiocrti i
,»4
Плавка чугуна
они оказывают каталитическое влияние на реакции горения.
Поэтому в опытах с спрыскиванием поды в фурмы наблюдалось
повышении 7’М11,Г. и уменьшение охлаждающей зоны в вагранке.
Однако, вследствие колебания естественной плл/кности дутья,
ршюти вагранок с впрыскиванием воды в Фурмы не давала
eraндартиых результатов. Кроме того, при этом увеличивается
насыщение чугуна водородом, как это лабораторным путем
показано А. А. Горшковым и Н. Т. Жаровым.
Тем более вредно избыточное, содержание влаги г, дутье, так
как при этом понижается также н температура в вагранке.
В последнее время стали применять поэтому установки для
кондиционирования воздуха, в которых влажность дутья дово-
дится до строго определенных пределов, что способствует равно-
мерному распределению и сохранению температурных зон в печи.
Однако пока еще пет достаточных оснований для суждения
о технических и экономических достоинствах этих установок
и целесообразности их рекомендации. Более проверенным
является сохранение постоянным количества воздуха (по весу),
что способствует равномерному ходу вагранки и с успехом при-
меняется в литейных.
ж) В л и я н и с размеров х о л остой п ра бо чи х
колот. Как видно из рис. 353, верхний уровень пояса плав-
иення устанавливается в зависимости от температурной кривой
в вагрипке и температуры плавления металла и данных усло-
виях. Поэтому, если при розжиге вагранки установить холостую
колошу выше верхнего пояса плавления, то избыток топлива
выгорит, после чего пояс плавления установится па надлежащей
высоте и чугун получит высокий перегрев. Если же холостая
колота будет установлена ниже верхнего уровня пояса плавле-
ния, чугун будет плавиться на более низком уровне и, следова-
тельно, получит меньший перегрев.
Таким образом, холостая колоша, устанавливае-
мая при розжиге вагранки, не должна быть ниже
какого-то оптимального уровня, который возрастает
с увеличением количества и давления дутья, так как пояс плав-
ления при этом повышается. Практика рекомендует в этом
отношении соотношения, представленные на рис. 361.
В процессе плавки холостая колоша горит и скачкообразно
восстанавливается за счет коксовой рабочей колоши. Если это
восстановление происходит в полной мере, высота холостой
колоши остается без изменения. Если относительные размеры
рабочей коксовой колоши недостаточны, верхний уровень пояса
плавлешш опускается и tcmiicpaiУРа жидкого чугуна понижает-
ся. В последнем случае восстановление высоты холостой коло-.ии
до нормальною уровня возможно лучше всего за счет специаль-
Теоретические основы процессов плавки и перегрева чугуна
555
iiotf пересыпки (завалка коксовой колоши без соответствующей
металлической).
Если же расход кокса на колошу излишне велик, высота
холостой колонн, становится больше верхнего уровни попса
Плавления п млаг.ки временно прекращается, пока уровень холо-
стой колоши coojiioTCTBeinio не опустится, При этом температура
чу1 упа ни будет понижаться,
но плавка будет происходить
с перерывами.
Длд получения высокого
перегрева чугуна имеют значе-
ние не только относительные,
но и абсолютные размеры
коксовых, а следовательно, и
металлических колош, как это
ясно видно из рис. 362, ид ко-
тором показаны колебания
уровней пояса плавления при
малой и большой коксовых ко-
лошах. В обоих случаях верх-
няя граница пояса плавления
находится па одной н тон же
Рис. 3(1I. З.ыиснммть между blico-
'!чГт itcroi'i ко.-ioiuti н давлением
ДУТЫ!
Рис. 3U2. Влияние аГкоДкшних размерен кмыи гы положение
ПОИСЛ nnpu.'reiiun
высоте, так как планка начинается ни уровне, соотвстст»’,у||’)нем
температуре плавления шихты. С увеличеннем размещя’ кояопг
увеличивается н время плавления, в связи с чем понижаются
нижний и средний уровни пояса плавления.
556
Плавка чугуна
Поэтому целесообразно пользоваться малыми по величине
колошами для повышения температуры перегрева чугуна. Экспе-
риментально доказано, что оптимальные результаты получаются
при высоте рабочей коксовой колоши в пределах 140—180 мл.
Соответствующий вес колоши определяют, исходя йз объемного
веса кокса (около 500 кг/м3). Так, например, при наиболее
употребительной высоте колоши в 160 мм вес ее ( GR) опреде-
лится:
°н = 0,16-500 = 63£>s кг, _ (186)
где О —диаметр вагранки, м.
Вес металлической колоши (GM) исчисляют, исходя из рас-
хода кокса (К):
GM = W0 = кг. (187)
К к
з) Влияние способа подвода дутья. Выше ука-
зывалось, что устройство двух или более рядов фурм способ-
ствует созданию равномерного потока газов в вагранке, что дол-
жно привести к некоторому повышению температуры чугуна.
Во многих случаях наблюдается некоторое улучшение работы
вагранки при введении дополнительных рядов фурм, как то
показано опытами Л. М. Мариенбаха, В, П. Чернобровкина
и др. Поэтому представляют интерес конструкции вагранок,
позволяющие регулировать количество воздуха у каждой фурмы,
чтобы на основе соответствующего контроля или наблюдения
за ходом плавки обеспечить равномерный подвод воздуха по
окружности вагранки.
и) Влияние подготовки шихты и метода ее
завалки. Подготовка шихты оказывает заметное влияние на
температуру чугуна. Например, перегрев чугуна повышается
с размельчением металлических шихтовых материалов, при одном
и том же расходе кокса (13,5%), следующим образом:
Вес кусков шихты, кг ... 28 20 16 11 5
ПоЕЬццеггпе температуры чу-
гуна, °C................ — 15 30 50 65
Полезна также тщательная очистка материалов, в особен-
ности собственных отходов, от песка, что уменьшает количество
'шлака и соответствующий расход тепла па его расплавление
и перегрев.
Большое значение имеет равномерность и правильность за-
грузки материалов параллельными и горизонтальными рядами,
несмотря на т0> чт0 в процессе опускания шихты отдельные
куски металла, как показывают литературные данные, переме-
щаются, принимая вертикальное положение и направляясь пре-
имущественно к центру (рис. 363).
Теорегические основы процессов плавки и перегрева чугуна 557
к) Перегрев чугуна в других печах. Перегрев
чугуна в других печах не представляет практических затрудне-
ний и может быть легко достигнут на основе общих положений
теории горения.
В печах, если они обогреваются топливом (отражательные
печи), сжигание происходит обычно в форсунках. Для получения
высокой температуры необ-
ходимо тщательное смеше-
ние топлива и воздуха и со-
блюдение правильного соот-
ношения между ними с це-
лью достижения возможно
полного горения, без боль-
шого избытка воздуха.
Важно также подобрать
топливо с высокой тепло-
творной и жаропроизводн-
тельной способностью, а
также использовать подо-
грев и обогащение дутья
кислородом. Кроме того,
следует уменьшить до воз-
можного предела относи-
тельные потери в печи, что
достигается соответствую-
щей конструкцией и изоля-
цией плавильного агрегата.
Большое значение имеет по-
вышение напряженности го-
рения в печном простран-
стве.
Во всех этих печах, в
противоположность ваграп-
1 же, садка после расплавле-
ния может быть перегрета
Рне. 3S3. Перемещение шихтовых материа-
лов в вагранке в процессе их опускания
в любой степени, если это позволяет термическая мощность печи.
Эта особенность’характеризует работу не только отражательных,
но и электрических печей, причем в последнем случае вследствие
высоких температур в печном пространстве достигается более
высокий перегрев жидкого чугуна, чем в вагранках:
Печи
Вагранки
О) атсльные
Электрические
Температура пе-
регрева чугуна,°C 1350-1450
1400—1500
1450—1550
558
Плавка чугуна
ГЛАВА XI
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ЧУГУНА
ПРИ ПЛАВКЕ
Чугун в процессе плавки и перегрева может значительно из-
менять свой состав. Некоторые примеси его при этом угарают,
Другие, наоборот, увеличивают свою концентрацию. Получение
качественного и точного по составу жидкого металла требует
знания и учета всех этих изменений.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УГАРА ЭЛЕМЕНТОВ
ПРИ ПЛАВКЕ ЧУГУНА В ВАГРАНКЕ
Чугун последовательно проходит в вагранке зоны подогрева,
плавления, восстановительную и кислородную зоны н, наконец,
горн. В течение всего этого движения от завалочного окна до
горна металл подвергается воздействию газов, а в нижних зо-
нах — и шлаков, с которыми в той или иной степени могут
реагировать элементы чугуна. В результате, этих реакций проис-
ходит химический или металлургический угар
элементов, который определяет изменение состава чугуна при
плавке.
При этом особенностью вагранки является то, что наряду
с примесями чугуна окислению подвергается также углерод
кокса, находящийся в тесном контакте как с чугуном, так и с
окисляющими реагентами (О2, Н2О, СОг, окислы шлака).
Кроме металлургического угара, различают еще общий
угар, объединяющий все потери металла при плавке — метал-
лургические и механические. Величину общего угара приходится
учитывать при определении веса завалки для обеспечения нуж-
ного количества жидкого чугуна.
а) Газовая фаза, как окислительный реагент
в вагранке. Если на диаграмму равновесия СО — СОг —
С — Fe нанести составы газов вагранки в зависимости от
-м^рзтуры (напРи‘мсР по табл. 50), то получим кривую
По мере приближения к фурмам, коэфициент сгорания ( тр )
сначала несколько понижается, затем повышается и достигает
значения 76% при максимальной температуре в точке D. При
дальнейшем направлении вниз к фурмам температура в вагран-
ке понижается, но коэфициент сгорания продолжает увеличи-
ваться до зоны фурм (точка £)• После этого температура в гор-
не продолжает уменьшаться, но вместе с тем коэфициент сгора-
ния резко падает (почти до нуля) на некотором расстоянии от
фурм (точка К). Здесь горение уже не происходит, н поэтому
Изменение состава чугуна при плавке
559
устанавливается равновесие между газовой фазой и углеродом
кокса.
Кривая ABCDER показывает, что во всех зонах вагранки, за
исключением нижней части горна, состав газовой фазы
является окислительным как по отношен ню
Те^Ъератдра, "С
Рис, 364. Положение газов вагранки на диаграмме равновесия
СО—СОг—С—Fe
к углероду, так и к железу, Это следует из расположе-
ния составов газов ниже кривых равновесия с углеродом и же-
лезом. Тем более газовая фаза является окислительной по от-
ношению к кремнию и марганцу чугуна, так как упругость
(.диссоциации их окислов меньше упругости диссоциации окислов
/железа.
i Это положение оказывается правильным даже в том случае,
Ресли принять во внимание низкую концентрацию кремния и мар-
k-танца в чугуне. Например, на рис. 365, наряду с кривыми
^упругости диссоциации SiO2 и МпО Для чистых элементов, нане-
сены кривые упругости диссоциации этих окислов для случаев
!1%-ных растворов кремния и марганца в чугуне. Мы видим, что
'даже ври 1%-ном растворе кремния и марганца упругость дис-
социации окислов этих элементов меньше упругости диссоциа-
ции СО2 при обычном составе ваграночных газов (>;,~50%).
' Тем более, следовательно, окислительными являются газы в об-
ласти фурм, где д, = 75%.
Окисление металла до расплавления имеет ограниченное
значение не только из-за низкой температуры и соответственно
. малых скоростей реакций, ио и вследствие медленности диффузии.
В этом случае твердые куски чугуна или стали покрываются
только тонкой пленкой окислов, имеющей весьма ограниченное
распространение вглубь металла. Наоборот, после расплавления
скорости реакции и диффузии повышаются. Точно так же резко
560
Плавка чугуна
увеличивается поверхность капель жидкого металла И ускоряют-
ся процессу окисления. При этом все факторы, увеличивающие
коэфициент сгорания, повышают угар элементов (Fe, Si, Мп).
В связи с этим металлургический угар элементов, в том числе
и железа, повышается с понижением расхода кокса.
Это объясняется тем, что при уменьшении расхода кокса по-
нижается пояс плавления, и, следовательно, плавление чугуна
Рис, 365, Соотношение упругостей диссоциации
СОг (при различных составах газовой смеси)
и окислен металлов в зависимости от темпе-
ратуры и концентрации
переходит в область
с более высоким ко-
эфициентом сгора-
ния. Таким образом,
состав газовой
фазы в момент
расплавления
в известной ме-
ре уже опреде-
ляет Угар эле-
ментов.
В дальнейшем
жидкие капли ме-
талла сравнительно
быстро проходят вос-
становительную и
кислородную зоны,
что весьма ограни-
чивает размер ме-
таллургического уга-
ра при плавке в ва-
гранке. Этому спо-
собствует также уве-
личение восстанови-
тельной способности
углерода чугуна и
кокса с повышением
температуры.
б) Шлаковая фаза, как окислительный реа-
гент в вагранке. Кроме газовой фазы, важным фактором
угара являются шлаки.
Образующиеся при угаре окислы переходят в шлак и могут
быть при соответствующих условиях вновь восстановлены, если
остаются в шлаке свободными. Образование же каких-либо
прочных соединений в шлаке препятствует обратному восстанов-
лению окислов и, следовательно, повышает угар элементов.
Поэтому кислые шлаки способствуют большему угару элементов,
дающих основные окислы (Мп, Fe), и, наоборот, основные
Изменение состава чугуна при плавке
561
шлаки увеличивают угар элементов, дающих кислотные окислы
(Si, Р).
В условиях планки в вагранке шлаки, как правило, являют-
ся кислыми — поэтому угар марганца обычно больше, чем
кремния. Фосфор же вообще не угорает, за исключением особых
случаев плавки в вагранке на основной футеровке.
2, ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА ПРИ ПЛАВКЕ
ЧУГУНА В ВАГРАНКЕ
Из элементов, встречающихся в чугуне, углерод труднее всех
других поддаётся регулированию при плавке в вагранке. Регули-
рование содержания углерода производятся обычно путем при-
садки стального скрапа в шихту. Однако вследствие тесного
соприкосновения металла с коксом происходит процесс наугле-
роживания стали в вагранке, зависящий от многих факторов.
Разъяснению этого процесса в значительной мере способствова-
ли работы советских специалистов — Ю. Л. Нехендзи, Н. Г. Гир-
шовпча, П. П. Берга, Л. М. Штернберга, Л. Б. Аристова и др.
а) Процесс науглероживания стали в ваг-
ранке. Процесс науглероживания стали в вагранке можно
представить протекающим либо через газовую фазу, либо по-
средством соприкосновения с твердым топливом. Одпако состав
газов в вагранке является во всех зонах (за исключением
горна) окислительным по отношение к углероду. Вслед-
ствие этого газовая фаза в вагранке препятству-
ет науглероживанию. Поэтому практическое значение
имеет только науглероживание твердым топливом.
Развитие этого процесса в зоне выше пояса плавления
крайне ограниченно ввиду малой скорости диффузии углерода
в твердом металле и незначительности поверхности соприкосно-
вения стали с топливом.
Поэтому стальной скрап плавится в вагранке, как сталь,
и науглероживание происходит в жидком состоянии. Этот про-
цесс протекает уже в области выше фурм благодаря высокой
температуре и большой поверхности соприкосновения капель
.жидкой стали с топливом. В то же время процессу науглеро-
живания препятствует там газовая фаза, и конечный результат
зависит, таким образом, от двух противоположных тенденций.
Е> итоге в зависимости от условий плавки науглероживание
в области выше фурм достигает 1,5—2,5%,
Ниже фурм вследствие высокого содержания углерода и ме-
талле и уменьшения поверхности соприкосновения с коксом
из-за коалесценции капель жидкого чугуна, науглероживание
36 Зак, 805
562
Илапка 4i/i'i/na
имеет уже меньшие размеры, несмотря па более благоприятный
состав' [мшшоп атмосферы. 1 куглсрожкшиы,' металла в горне
вагранки не превышает 0,2—0,5%, 1акпм <х']'мыом, общее на-
углерожииппгге стального скрапа при плат,то и вагранке колеб-
лется в пределах I,/- 0,0%.
Абсолютное содержа пне углерода и чугуне таечепт от коли-
чества стали в шихте п других факте,ров л может у1<жшшиваться
или уменьшаться при плавке в вагранке.
б) Влияние температуры. Из факторов, определяю-
щих степень науглероживания стального скрапа при плавке
в вагранке, прежде всего необходимо отметить температуру,
с повышением которой науглероживание увеличивается. Поэтому
подогрев дутья и другие мероприятия по повышению перегрева
чугуна приводят, при прочих равных условиях, к увеличению
содержания углерода в чугуне. При этом иногда получается
даже заэвтектическип чугун.
в) В л и я н и е количества и качества кокса.
Другим не менее важным фактором, определяющим степень
науглероживания, является количество и качество топлива.
Увеличение расхода топлива, повышая пояс плавления и тем-
пературу чугуна, тем самым способствует науглероживанию
(рис. 3G6). Это обстоятельство было главной приншюн прежних
неудач в получении малоуглеродистого чугуна, так как с увели-
чением количества стали и шихте обычно повышали расход
топлива (расход кокса при плавке на сталытом скрапе следует
ttuAc Bpatiawv кмоше,
Рис, 366. Влияние расхода кок-
са и количества стали в шихте
на науглероживание чугуна
увеличивать только пз расчета
расхода углерода на науглеро-
живание стали).
Большое значение имеет ка-
чество топлива: размеры ку-
сков, активность углерода,
плотность, строение, зольность
и т. п. Однако влияние их ча-
сто затушевывается соответ-
ствующим влиянием темпера-
туры. Например, применение
мелкого кокса повышает по-
верхность соприкосновения с
каплями Жидкой стали и увеличивает науглероживание, и о при
этом понижается температура в пеги и уменьшается содержа-
ние у। ле]юда в чугуне.
Различное влияние па науглероживание оказывает также
активность углерода топлива, и том числе его плотноегь, томш’
ратура воспламенения, строение и т. д. Можно ожи.шть, что
топливо с более активным углеродом будет способствовать
Изменение cociaea чугуна при плалке
565
науглероживанию. Однако понижающаяся при этом температу-
ра и вагранке действует в противоположную сторону. Поэтому
в литературе встречаются противоречия по данному в,опросу,
но в большинстве случаев науглероживание увеличивается с по-
вышением активности топлива.
Большое влиял не па науглероживание оказывает зольность
кокса и связанные с этим состав и количество шлаков. Как по-
казали исследования, увеличение зольности кокса
приводит к понижению содержания углерода
в чугуне (табл. 54).
Таблица 54
Влияние содержания золы в коксе на науглероживание чугуна
% Jl етучие вещества % S о? /о Порт, с- тесть % В hi Л те 2 Р/г'-Ч ! Vc'4 . |;;-i Ч1 У ГДЕ-] ОЛИ В жидком чугуне % Вид кекса
17,0 0,4 1,7 59 1,94 1,73 Матовый, серый, очень пористый
16 9 0,7 0,6 — —- 1,80 Серебристый
5,8 0,6 0,5 59 1,94 2,10 Матовый, сероватый,очень п:ш।iibiii и твердый
3,9 0.5 0,5 50 1,80 2,81 ('сребристый, довольно м я ii( И й
1.1 0,9 0,4 47 1,85 3.38 М.'| ГОВН норный, плотный ]] твердый
Основную роль при этом играет не количество образующегося
шлака, а его состояние. Опыты с искусственным увеличением
количества шлаков путем повышения расхода флюсов не оказали
влияния на содержание углерода в чугуне. В то же время искус-
ственное увеличение золы в коксе при его изготовлении пони-
жает науглероживание стального скрапа в вагранке. Большое
значение имеет характер поверхности кокса в зоне горения. При
образовании шлака из золы кокса, т. е. изнутри, он лучше дер-
жится на поверхности топлива и предохраняет капли металла
от науглероживания. Этому Hie способствуют густые и кислые
шлаки, а следовательно, и высокое содержание SiO2 в золе
кокса. Основные же шлаки, как это следует из некоторых опы-
тов, наоборот, способствуют получению более высокого содержа-
ния углерода в чугуне.
г) Влияние количества и с и о соба подвод а
воздуха. Значительно меньшее значение имеет дутьевой
режим вагранки. С повышением количества воздуха увеличи-
вается окислительным характер ваграночных газов (главным
образом и области фурм), ио вместе с тем повышаются пояс
плавления и температура металла. Поэтому влияние давления
и количества воздуха сравнительно невелико.
36*
564
Плавка чугуна
Д) Влияние состава чу г у н а. Состав чугуна также
оказывает некоторое влияние на процесс науглероживания в ваг-
ранке. Чем больше содержа в и е к р е м гг и я в ч у г у-
н о, тем меньше науглерож и в а и н с, что объясняется
соответствующим вытеснением углерода нз pan вора. Поэтому
при гглавке чугуна с высоким содержанием кремния, например,
тина силал (~5% Si), содержание углерода в металле не пре-
восходит обычно 2,5%. В противоположном направлении дей-
ствует марганец, повышающий содержание углерода в чугуне.
Влияние остальных элементов практически незначительно.
е) Влияние конструкции вагранки и состава
шихты. Конструкция вагранки и состав шихты оказывают
большое влияние на науглероживание стального скрапа. Изме-
нениями этих факторов чаще всего пользуются на практике для
регулирования содержания углерода в чугуне.
Решающее влияние па науглероживание оказывает расстоя-
ние фурм от пода, с увеличением которого содержание углерода
в чугуне повышается. Поэтому вполне оправдываются предло-
жения Н. Г. Гиршовпча и С. Ф. Горбунова полностью уничто-
жить зону горна во всех случаях, когда нужно получать низкое
содержание углерода в чугуне. Практически уничтожить зону
горна можно jhioo поднятием пода до урогшя фурм (рис. 367, а)
либо устройством специальной кирпичной насадки, выложенной
пл поду вагранки (рис, 367,6).
Соответствующее понижение содержания углерода в чугуне
при этом оказывается тем больше, чем меньше содержание
углерода в шихте.
Из рис. 368 видно, что содержание углерода в чугуне являет-
ся функцией его содержания в шихте. Последнее обычно опре-
деляется количеством стального скрапа. Поэтому у в е л и ч е-
н и е количества стального скрапа в шихте
приводит, как правило, к понижению содер-
жания углерода в чугуне.
Однако и при одном и том же количестве стального скрапа
в шихте можно получать чугун с разным содер?канием углерода
в зависимости от температуры в вагранке, количества и качества
топлива, количества воздуха, конструкции и режима вагранки,
состава металла и т. д. Меняя указанные факторы, получакА
науглероживание стали в пределах 1,7- -3,0% • Одновременно из-
меняется также содержание углерода в чугунной стали шихты.
При этом оно может yiieniri и виться или уменьшаться в зависи-
мости от исходного содержания углерода в чугуне и условий
1 У стр । > н <"[' во специального гт в 11 е м) г н к о на поду вагранки (рис. 36Г, £0 имеет
целью бысгво воспринять жидкий металл и избавить его от длительного
возденстыы холенного воздуха.
Изменение состава чугуна при плавке
565
плавки. При высоком содержании углерода в шихте оно обычно
уменьшается при плавке, при низком — увеличивается. В лите-
ратуре поэтому часто говорится о равновесном содержании угле-
Рис. 367, Крнетрукшн, вагранок лчлучеаия Maaoyi'acpcAiicroni чугупО-
Л - IrU И. Г- [ I Ipl 1,1 '11,1-4V; б fin t.\ Ф, I 'c-pGyjipruy
рода в чугуне при плавко в вагранке. Однако такая точка зрения
неправильна— науглероживание чугуна в вагранке является ре-
зультирующей двух взаимно противоположных процессов и мо-
жет достичь любого уровня.
Исходя нз этого положения,
можно определить содержание
углерода в чугуне следующим,
образом:
C=/<+(I-xj Сш = А* + 3 Сш, (I8S)
где С — содержание углерода в
жидком чугуне;
к — процент науглерожива-
ния, равный 1,7—3.0 % ;
а —кэфнциепт обезуглерожи-
вания, равный 0,4—0,6;
— коэфициент, хлрак'герпзе-
Рнс. 368, B.liin.n.4 р.1С1|Ш[0.-кеии'г
ферменного пояса на поду нй-
пжпкп на науглероживание чу-
гуна при раяном еодерж aii пн
угш-рода н ниыте:
lonuii'i [шличииу оста ionic глея в
Шихту углерода, равный 0.6—0,-[:
б’,,, ....(Ч’.-к'ржянпс углерода г
После нескольких опытных плавок можно определить значе-
ния коэфя1.шснгов А" и S ц рассчитывать в дальнейшем содер-
НЧ Пил HH'rl-t Л ДГ|
• СрГ||^',Г1гjfi (ht рас
от Vtioiiii,! i|i
мм
566
Плавка ‘ii/i'i/na
жание углерода в чугуне по формуле (188). В большинстве
случаев дли этого пригодна следующая формула:
С = 1,8 0,5 С,,. (188а)
Анализ формул (188) и (188а) показывает, что при низком
значопип С.,, содержание углерода в чугуне действительно воз-
растает, а при высоком — уменьшается.
В частном случае возможно ведение плавни на одном
стальном скрапе (без чугуна) с соответствующей присадкой
ферросплавов. Такой чугун называется синтетическим.
При его получении обычно стремятся по возможности снизить
содержание углерода и поэтому ведут плавку в условиях мини-
мального науглероживания (низкий расход топлива, плотный
малоактивный кокс с высоким содержанием золы, низкое распо-
ложение фурм над подом н т. д.). Такое же ведение процесса
имеет место при получении малоуглеродистого чугуна (стали-
стый чугун, ковкий чугун, модифицированный чугун и т. д.).
С другой стороны, некоторые отливки (поршневые кольца
и др.) требуют, наоборот, высокого содержания углерода в ме-
талле (3,6—3,8%). В этом случае плавку ведут без какой-либо
прибавки стали, на большом проценте штыкового чугуна в шихте
и в условиях максимального науглероживания (высокая темпе-
ратура, большой расход топлива, активный коке с низким со-
держанием ЗОЛЫ, ВЫСОКИЙ горн и т. д.).
Во всех случаях получение постоянного содержания углерода
в чугуне требует строгого сохранения режима плавки н стан-
дартности исходных материалов.
3, ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СЕРЫ ПРИ ПЛАВКЕ
ЧУГУНА В ВАГРАНКЕ
При плавке в вагранке происходит, как правило, увеличение
содержания серы в чугуне примерно на 50—100%. Главным ис-
точником этого насыщения является топливо, содержание серы
в котором колеблется в пределах от 0,5 до 2% и выше.
При анализе серы в топливе различают обычно сульфид-
ную (FeS), сульфатную (СайОф п органическую
(соединения с углеродом) серу. Иногда серу делят на лету ч у ю
н нелетучую, причем к первой относится часть сульфидной
в вся органическая сера, ,з ко второй остальная часть суль-
фидной н вся сульфатная сера. До сих пор не установлена ясная
связь между формами сернистых соединений в способностью
Их к переходу в чугун. В большинстве случаев считают, что
насыщение серой чугуна пропорционально ее общему содержа
Изменениг состава чугуна при плавке
367
РазмеркьсксЗ кокер мм
Рие. 3(59. B_ri и и 1 с lie
размести кутков кокса
iia । к hoi । > 11 |,сч । и е серы
чугуном
гея в течение всей
нпю в коксе. II?! этого следует, что простейшим мероприятием
нс борзое о cepoi'i. i:i<c плашке чегчна в вагранке яиляeiс я м а к-
C 1! М И Л П О е С |! И р и И (J ’>,1 СХОДИ TOIlJIOil НСИДСр-
ж а п и и с о р ы г, и I; м.
a) Механизм ппсытеццл чугуна ее рой. Рассма-
тривая механизм насыщении чугуна герой при плавке в из-
гранке. П. П. Берг и Н. Г. Гиршовпч отметили три принципи-
ально возможные нуги в этом отношении:
из твердого топлива, через газовую фазу
и через жидкий шлак.
Практически процесс этот протекает,
главным образом, за счет растворения суль-
фидов с поверхности кокса и перехода серы
из газовой фазы. Поэтому увеличение раз-
меров кусков кокса, как показывают лите-
ратурные данные, понижает поглощение
серы чугуном вследствие уменьшения по-
верхности соприкосновения металла с топ-
ливом (рис. 369),
Когда вся сера с поверхности кокса рас-
творится, дальнейшее насыщение уже не
должно происходить. Однако и условиях
непрерывного горения кокса в вагранке об-
нажаются вес время новые поверхности то-
плива, п процесс насыщения серой продолжа
плавки.
Вторым путем насыщения чугуна серой является газовая фа-
за. Опыты показали, что летучая часть серы, поднимаясь вверх
вместе с ваграночными газами, частично поглощается метал-
лом. Это поглощение происходит особенно интенсивно па окис-
ленных поверхностях металла с соответствующим образованием
сксосульфидов. так что поверхностное содержание серы в этом
случае доходит иногда до 1%. Так как окисли па поверхности
образуются на стали легче, чем на чугуне, то стальной скрап в
большей степени, чем чугун, склонен к подобному поглощению
серы из газовой фазы. Также и мелкая шихта (например
стружка или большое количество тонких литников) вследствие
большой поверхности способствует большому насыщению ме-
талла серой:
Размер кусков шихты л.к . , . . 80 18 3—(5
5.|у|. % '.................................. 0,10 0,12 0,14
Насыщение металла серой через шлак практически невоз-
можно. Концентрация серы и шириночных шлаках колеблется
в пределах 0,05—0,3% при содержании серые чугуне около 0,1 %,
5йН
И лапка чугуна
Таким обр,-iji, коэфициент распределения е<'[И:.т между шлаком
и металлом е< юта ил лет:
% ОФ - 3,0
S'O г
,гт<! б.'ш.чко или немного ниже состояния рагии.шееня. Поэтому
mi[[)иночtibtc шлаки могут служить в некоторой стсненп обессе-
ршщюшим реагентом, но эта роль выполняется ими с. весьма
небольшой эффективностью.
б) Распределение серы между фазами при
плавке в вагранке. Рассматривая общин баланс серы
топлива, можно в среднем принять, что около половины всей
серы удаляется с газами’. Другая же половина распределяется
между шлаком п чугуном примерно поровну Таким образом,
общее распределение серы кокса представляется в среднем.
г SIII4 : SIT.ri — 25 : 25 : 50.
Понижение содержания серы в металле требует соответст-
вующего увеличения коэфициента распределения (<is) и
чества шлаков ( 7,,,., ). Если обозначить общее количество
в системе металл — шлак через liS, то содержание серы в
не составит:
с ____ __ ' S___ __ + Раги
1 "Г '% Ч111 .'I I Ж г| 5 !?г||, t
К о п ц с [I т р а ц и я с е р ы в и у гу н с те м мель ш е,
меньше серы вносится металлической ши:
(SklFB) и коксом (SJ. чем больше серы удаляет
газа iM п (S.;-.-)n чем больше коэфициент распреде-
ления серы ) и количество шлака
в) Обессеривающая способность шлаков. Кон-
станта распределения серы:
f _ _5ц1л_ _ (5)
5 “ S.iyr” “ IS]
представляет коэфициент распределения серы в состоянии рав-
новесия системы металл — шлак, зависящий от температуры н
состава взаимодействующих фаз. Степень же обессеривания
и окончательное содержание серы в чугуне зависят не только от
константы распределения, ио п от вязкости фаз, времени и ш>-
ьерхш>ст!1 сонрнкоенош'ння и пнгепснгшостп нсрсмепшшннж
между металлом н [планом, определяющей скорость диффузно
в системе.
1 В 1 л;'1 ьсч;<чш!)г1Шпых газор со.тдгжптся около | е сврм. r.c.iii нрп;
н:гть, HT'J г ютт r.'.KpMM 1.5% С| |ч,| н на 1 ко кокса арчу гзгпл К ic
газа, то а нах гсмсса'ся 3 a ccpoi из обгр.'то количества 1Г> е.
коли-
сер ы
чугу-
(1«о
ч е м
кто й
сяс
Изменение состава чугуна при плавке
569
Поэтому лабор,тго]жые опыты по определению константы
рлсиределенпя серы и условиях-, близких к равновесию, не мо-
гут быть прямо 11(.'ре[Г(Г0[1ы па реальные (далеко неравновес-
ные) условия плавки В ПИГрШЩС. ОдпНКО Win имеют Teopi-Tit-
ческпй и практический нгперес и должны быть учтены с Сиот-
ветствуюгией поправкой па отклэиенне ст состояния равновесия:
?). aZ,s (190)
где 7.—коэфициент, который по своему значению тем ближе
< к единице, чем выше температура, меньше вязкость шлака
>, и металла, полнее и лучше условия их соприкосновения и пере-
мешивания.
г. Согласно исследованиям В. Г. Воскобойникова, обессерива-
i ющая способность шлаков больше всего зависит от их осяовно-
сти и температуры, с увеличением которых константа распреде-
! ления серы повышается (рис, 370). Однако отдельные кислот-
ные и основные окислы (SiO> и А1..О3, а также СаО и MgO)
действуют не одинаково, в частности увеличение содержания
К глинозема понижает значение
" при ОДНОМ Г5 ТОМ же отношении
, СаО : SiCK
Экстраполируя данные рис. 370,
можно видеть, что константа
распределения серы для шла-
ков, подобных ваграночным, с
। основностью СаО : Si О? = 0,35—
0,70 составляет около 1—4 при
; 1450°, что фактически близко к
: реальным значениям T}s. При этом
р А1--О3 в этих шлаках, в противо-
положность более основным шла-
кам, действует уже в некоторой
степени положительно (пунктир-
ные линии). Однако ни основ-
ность (CaO:SiO9), пн содержа-
: ние АЬО3 в обычных ваграиоч-
Рпс. 370. Влияние состава шлйков
и их температуры па константу
распределения серы
ных шлаках не являются решаю-
щими факторами обессеривания ц по силе своего влияния усту-
пают температуре.
Особого внимания заслуживает содержание МнО и МдО и
кислых шлпких. Согласно- общей зиюшоморностн. окислы 'че-
тал..'К)1! (МпО) увеличивают риеошннмость соответе।ec'ioiiiiix
сульфидов (MriS) в шлаках. Поэтому в качестве флюса при
Плавке в вШ’ришш применяют иногда пиролюзит (МиОб нли
основной мартеновский шлак первой скачки, богатый закисью
Плавка чг/сита
марганца — повышенно содержа rrrtii МпО в шлаках ведет к по-
нижению Содержания серы в чугуне.
1'акже положительно слияние МдЧ) в к।и-.-,t,rx шлаках, как
ото ТК)К:).;;i.!I|[ Е. I'.TCHJIKCI! И Л. Т. Козел. (%ш реКОМСНДуюТ
И]’нм(‘йетиte доломита в к л шюттс флюса, вмеси, 'гыытгт извест-
няка, и указывают, что коэфнииснт расирел('ле|шя серы при
плавке на магнезиальных шлаках (-“5% МдО) повышается
примерно в 1,5 раза. Практика подтвердила понижение содер-
жания серы в чугуне при применении в качестве флюса доло-
митпзированного известняка.
Однако нетрудно показать, что практическое значение обес-
серивающего действия кислых шлаков во всех случаях невели-
ко. Если принять относительное количество шлаков q л = 0,06,
а общее содержание серы в системе 25 = 0,12%, то, согласно
уравнению (189), получим следующее содержание серы в чугу-
не в зависимости от коэфициента распределения:
rlS .... о,5 i,o з,о ю,и 20,0
8чУг.0/о • 0,116 0,НЗ 0,107 0,102 0,075 0ф55
Таким образом, эффективное снижение содержания серы
можно получить только при больших значениях т)ч (10—20), но
для этого необходима более высокая основность шлака (СаО ;
SiO2-—0,9—1,2), как это ясно следует из рис. 370.
г) О б е с с о |> и в а и и с чугуна при плавке в ваг-
ранке с основной футеровкой. Получение основных
шлаков при платзке в вагранке достижимо только при приме-
нении основной (магнезитовой или доломитовой) футеровки.
Еще в 1905 г. были произведены опыты по плавке чугуна
в вагранке с основной футеровкой для последующей продувки
его в конвертере. Чугун отличался высоким содержанием угле-
рода и низким содержанием серы и фосфора а именно:
с, %
При футеровке:
шамогиой................. 2,85
основной................ 3,70
Такие же опыты и примерно
свидетельству В. Н. Липина, на
Si. И Мп, % Г, % S,
1,65 0,87 О/'Л 0,073
0,56 1,43 0,059 0,0(7
в то же время проводились, по
5. Путилове к ом заводе, но были
затем оставлены ввиду затруднений при плавке.
В последние годы в разных странах вновь проводились работы
по псследованкш плав.кц чугуна из загрязненной серой шихты,
причем достигнуто снижение серы ;ц> 59%.
12 3 1
%iyr п!'1|! кислой футер:>i!ке, % . .
5,(уГ rrpsr 01-ШЖ1ЮЙ фу героине, % -
0, 1 15
0,063
0,115 0,140 1.135
0,049 0,056 0,0-7
< H;irp-'itibп г оч|[Овиой футер (жкы! может быть успению использован::
для чугуна с глобулярным графитом.
lijAit'Neniie состава чугуна при плавке
Как показал!г исследования, важнейшими уелоняям и эффек-
та иного снижения содержания серы в чугуне при паи яде ,5 ваг-
ранке с ОС!югакиt футеровкой являются высокий перегрев, боль-
шая оснгянюст!. и пн.зше со-
держание окислен железа в
шлаке (рис. 371).
Поел ед cry шнюжсНпе ii итог; а ст из
значения KOiicratiTo раыюв-ес!Ы ре-
акции обессеривания;
ГeS Ж Л'КО FeO + MeS, (191)
(MeS) [FeO] 5ШД [FeO] _
[FeS| (tWeO> ~ S4yr (4feO)~_
= L !Fc0’ "
s (xMeO) ’
(MeO)
LS = K
(191а)
[FeO] ‘
(1916)
Рис. 37[. Влияние FeO на обессе-
рпвающую способность шлака
(UBifipU на кривых означают отно-
шение СаО ; SiCF)
В благоприятных' условиях кон-
центрация еерш s основных вагра-
ночных шлаках может повыситься
до 1,(1%, т. е. HcCKO'iano ниже; т<ч’о.
что ti а бл ю/нтетсн в шлаках до я ('иных и зж.'к-гшшгч'кпх ur'icii. Ш> лначитоль-
но выше того, что встречается в кислых иагн.нючнмх шлаках (табл. 55),
При одной п той же основности обессеривакнппя способность
основных шлаков повышается при увеличении содержания
MgO (до 5—10%) it понижается при увеличении содержания
А1гО3 (рис. 370). При этом MgO, уменьшая вязкость шлаков,
делает возможным повышение их основности.
Влияние температуры на обессеривающую способность основ-
ных шлаков весьма в ел г: ко и увеличивается с повышением ос-
Таблица 55
Сравнительные анализы шлаков вагранки и других плавильных печей
Тип печи С«Л.т<15 иыэхпн, %
s;os ! РЮ СаО MgO Л1Ю. s Мп О
Огн'Шпаи электрическая 18.-1 0.4 (П.З 7,3 5,9 1 3 0,4
Де)МС)|1Н1Я ПСЧ1 .3,3,3 0,2 4 .',2 2.0 1.6,7 1,7 1 ,з
ОсишШЖ’ жиринЫ: <».-1 .'u-iii шлак , , . 30,5 0,52 и.о 1-1,0 8," 1 .1 0,5
т е .ч । [ । ! ii шлак - . , . 29,3 1 ,47 45, 1 12,9 1,0 ! . 4
Кислая вагранка 45,2 4,8 30,3 1,0 15,0 0,5 1,5
572
Плавка чугуна
новцости, что объясняется более резким уменьшением вязкости,
нем в кислых- шлаках. Низкая температура является часто при-
чиной того, что обессеривание нс наблюдается при плавке в па-
грапш- д;(/ко при осношюй футеровке. По нсек случаях следует
имели, и пилу, что осшишая футеровка -обходится /юпожс кислой.
;г) Влияние соедини чу г у и л на насыщение се-
рой. Состав металла, наряду с составом шла ко и, играет боль-
шую роль при обесееривапшк Обычно наблюдается, чиа обессе-
ривание улучшается при повы-
шении концентрации углерода,
марганца и кремния.
На рис. 372 показано для
примера влияние кремния, хо-
рошо известное также из прак-
тики доменного производства.
Однако в последнем случае
низкое содержание серы объ-
ясняется, главным образом, го-
рячим ходом печи, необходи-
мым для восстановления крем-
ния, Благоприятное же влия-
ние кремния (п углерода) при
плавке в вагранке объясняет-
чугуна и уменьшенном паство-
Рнс 372. BriiiviHHC содержания
крслшмя л чуз’умо iu содержание
серы;
I -• KyitiKo-.ihb’i чугун: 2 — ссрып
, jt Ксь.лии чусул’а.
ся повышением жидкотекучести
рнмостп в нем сульфидов, а также действием кремния, как вос-
становителя FeO при реакциях обессеривания:
2FeS -!- 2Л/еО ~F Si 2Fe + Si 02 + 2/WeS. (1У2)
При постоянстве концентрации серы в шлаке константа реак-
ции (192) может быть представлена в виде:
/< =% S х %Si'4 (192а)
Содержание серы в чугуне должно понижаться с увеличе-
нием концентрации кремния, чему, по мнению некоторых иссле-
дователей, способствует еще образование летучих соединений
серы с кремнием.
Особо большое значение имеет содержание марганца, обес-
серивающее действие которого широко известно. Соответствуй/
ищи реакция, идущая в металле, представляется в виде фор-
мулы (50). Пренебрегая растворимостью сульфидов, можно
определить коцстан'! у равновесия этой реп к ш ш в весьма простом
виде:
/< г.: Мп х °/,S. (19'1)
Однако винду отклонения .'Г равновесия щ.кшшшдеш-в1
Мп е. “и > практически колеблется в больших пределах в ва-
Изменение состава чугуна при плавке
573
висимости от условий протекания реакций (рис. 373). С пони-
жением температуры константа экзотермической реакции умень-
шается, что проори г к понижению содержания серы при данной
концентрации млргапц.т. В связи с этим выдержка металла
в ковше способствует удалению серы вследствие образования
и всплывания сульфидов MnS, что наблюдается даже при низ-
ком содержании марганца в чугуне;
I 2 3
Мп. % . . 0,37 0,33 0,27
S, % . . . 0,24 0,18 0,10
4 5
0,24 0,21
0,13 0,12
е) Влияние других факторов и а насыщение
ч у г у и а серо й. На основе рассмотрения механизма насыще-
ния чугуна серой н соответствующего влияния шлаков и состава
металла становятся понятны практические способы работы для
уменьшения содержания серы при плавке в вагранке. В этом
отношении прежде всего следует подчеркнуть значение меропри-
ятий по уменьшению количества серы, вносимого топливом и
металлом. Как показывает формула Озаина, концентрация серы
в металле
зависит
SPi
от ее содержания в .шихте;
--U),75SJllfl ,
||Н|
((94)
где SM(h -- среднее содер-
жание серы в
металлической
шихте, %;
SH — содержание се
ры в коксе, %;
К —расход ко-
кса, % •
Эта формула преду-
сматривает, что 75% всей
серы металлической ших-
ты и 30% всей серы ко-
кса переходят в жидкий
чугун. Чем меньше рас-
ход кокса, тем меньше со-
Р„е, 373, Влияние температуры па кон-
станте равновесия К = %МлХ%5 при раз-
ном составе чугуна
держание серы в чугуне.
Поэтому подогрев дутья пли обогащение его кислородом дают
возможность значительно снизить содержание серы в металле.
Р'.ше большего можно достгнуть в г,а гранках специальных кон-
струкций, где устранено нешкщсдстшчшое сопрнкосштвеппе чу-
гуна с топливом (например в raaoin.ix вагранках) или в п;н рай-
ках с (К’шшпой футеровкой, где содержание серы и жидком
чугуне может быть даже меньше, чем в исходной металлпческои
шихте.
574
Плавка чугуна
Большое значение имеет повышенно температуры в пени,
ведущее j< понижению сод ер ж а иля серы и '.у । уне. Основность
же шлака, регулируем.'!я расходом изщ.'стия:щ, имеет значение,
единым образом, в вагранках с осши-шой футеровкой. В обыч-
ных ус.товиих увеличение расхода нзпосгняка д<' 30—5О'УП от
неси шиша иди Д'1 3 --1>% от веса чугуна, хотя безусловно по-
лезно п должно быть рекомендовано, по эффектившн’ти все же
уступает тому, что наблюдается при основной футеровке. Это
объясняется тем, что повышение расхода известняка в обычных
условиях ведет к увеличению разъедания кислой футеровки,
вследствие чего основность шлаков, а следовательно, и их эф-
фективность повышаются очень мало.
Более целесообразной является добавка пиролюзита или
мартеновского ишака, как это впервые было предложено русским
инженером О. Рудбахом еще в 1912 г. Уменьшение пригара се-
ры при этом видно из
SiOj.%
следующих данных:
FeO.% MnO,% С'аО.%
Mg0,% зшл.%
Состав шлака при:
4% известняка . .
4% мартеновского
шлака............
50,8 7,11
19,5 6,41
3, |3 0,25 27,1 1,04 0,18
5,86 6,28 24,6 5,54 0,21
Пригар
серы, %
48,7
32,7
Добавка доломита
в шихту увеличивает содержание серы
в шлаке.
О нлпяппп крупности кусков шихтовых материалов (металла
и кокса) было сказано выше. Повышение высоты холостой ко-
лоши ведет к обогащению чугуна серой, главным образом,
в начальный период плавки, пока не установится нормальная
высота пояса плавления. Для борьбы с этим явлением необхо-
димо давать присадку флюсов не только в рабочую, но и в хо-
лостую колошу. Некоторое значение имеет также количество
воздуха, подводимое в вагранку, с увеличением которого со-
держание серы в чугуне уменьшается.
4. ОБЕССЕРИВАНИЕ ЖИДКОГО ЧУГУНА
СПЕЦИАЛЬНЫМИ СОЛЯМИ ИЛИ ШЛАКАМИ
Го всех случаях, когда содержание серы по каким-либо при-
чинам получается выше допустимого, приходится вести спе-
циальное обессеривание жидкого чугуна в печи (копильнике)
или в ковше.-С этой целью жидкий чугун обрабатывается спе-
циальным и добавками, главным образом содой (ГхБыСО.-,) пли
Смесью соды с другими реагентами
,ч) Т с о р е т п и е е к и (’ п с п о в ы о б е с с с р и в а в и я
ж и д к о г о ч у г у [[ а. 1 [роцсчЮ обессеривания жидкого чугуна
I Ре.ыш' ;':iчлешге серы поетттстш: также присадкой мйгипЯ (~ 0,7%).
т
Изменение состава чугуна при плавке
57 •>
заключается в епэ обработке солями или элементами, даюишмп
прочтло сульфиды, практически нерастворимые в мсталло
п хорошо раствори ди,и; i; 1 г |..н ,н кс. При этом сульфиды должны
Пни, достаго'пю MenuiMn, чтобы ускорит!» процесс венлииюпия
п перехода’ в шлак. Примером таких элементов может служить
натрий, образующий сульфид Na^S, удовлетворяющий ука юи-
ным условиям. Поэтому в качестве обессеривающей добавки
применяется чаще всего кллышнировзнная безводная сода
(Na;.CO3)t представляющая основу многочисленных запаТенто-
«к ванных брикетов Реакцию обессеривания чугуна содовыми
г добавками можно представить в следующем виде:
I1 F.»4 Fe
* Na2CO3 + + /? = Na S + + /?o + CO2 - Q. (195)
v MnS Mu
ъ Механизм действия раскислителя (R) заключается в восста-
| новлении окислов I е") И получающихся в результате обменной
К \МпО /
В реакции после диссоциации Na^COj:
’ N'aaCOs = Na,0 + CO3f (195a)
-F-- + Na.O Na.S, (1956)
MnS * MnO
FeO
MnO
(195b)
Последняя реакция способствует обессериванию чугуна и
происходит за счет углерода или кремния, вследствие чего со-
держание этих элементов в чугуне обычно понижается прн обес-
серивании, как это видно из следующих данных:
С с/
j ja
До присадки соды .... 3,27
После присадки соды . . . 3,23
Si, % Мп. % Р, % S, %
О 63 0,70 1,79 0,13
039 0,61 1,75 0,i9
Тепловой баланс реакции обессеривания (195), если принять полное исполь-
зование соды, может быть рассчитан следующим образом:
Диссоциация, плавление п нагрев ,(до 1300°) 104 кг соды—-48 000 Кал
Тепловой эффект реакции (1956) по FeO — 44 600 ,
Теплочой эффект реакции (195в) при восстановлении:
кремнием + 40 000 ,
углеродом —38 000 „
В сего: при восстлноп-И'нии кремнием’ — 5’2 (-0() ,
при восст<г.гопле|!|щ углеродом —-130 600
। Г,рill.»-it> Шечтера, применяемые в Германии, имеют еосташ 91%
Na..СО I. -Цы BtiGL, 0,0% 1чЧ) и (1,9% П О- и1’ 1и‘.чесообрлз|юсТ1, ihi.hh'ihm
H|.I .einiirn ('Сипения. В CHIA ичпестны Срикетьг «Пюрайтч, cfni'p>ti.TH(irc
99,rj% N;i:>CO.3 и 0,5% NaOri. В (’ССР обычно по1гМенястся чнет-тя сод.т,
2 TeiKUiHoi! Расчет сделай прц иармяленой температуре. На сам^м лиле
реакции ироисколят при высоких [емпсрату|.ых, что должно быть учтено
при точных расчетах.
57(5
Плавка 4U'i!na
Вследстпие эпдотермя’»ости реакции обесссринииия (135) температура чу-
гун;, должна понизиться. Принимая расход солы и 0.5",' найдем, что 1 кг-
И> i
Mo.neiiVJirni (101 кг) соды можно обессерить - л 20 800 кг чугуна,
что ыжьч'ег следующее понижение температуры при ус-чииш, t)o с ста нов леи пи
они ст; о и железа кремнием
52 (>(.Ю
д i =----------------- « — 13’.
0,2 20 800
Принимая поднос использован не соды (коэфициент ис г, ол ь:и> на ш, S1, равный
1,0). можно рассчитать, чга 1% расхода соды должен соответс'т'и.1вать пони-
жению содержания серы в чугуне на 0,3% (па 0,3% соды снижение содер-
жания серы в чугуне должно быть поэтому около 0,1%). Практически,
однако, такой высокий коэфициент использования соды обычно не дости-
гается. Это объясняется, с одной стороны, потерями соды и невозможностью
выдерживать металл до получения равновесия, с другой стороны,— течением
реакции в обратную сторону в случае наличия кислых шлаков, а именно:
Nj.,S 4- SiOa -f- FeO " N i23iOs ItoS. (l&i)
Наличке кремнезема уменьшает обессеривающую способ-
ность содовых шлаков тем в большей степени, чем меньше
отношение NagO:SiOL> (рис. 374).
Обессеривающая способность соды, т. е. количество удален-
ной серы на 1 г Na<>CO.3 (-^2?—-), повышается
с увеличением
концентрации серы в металле. Слс-
отношения NftyO : SiO> ц
ЙГ то.г о.з
Рис. 371. Влияйте С(Кт;пы г()-
ДТ-ПМХ ПСП КОИ Ц Co.T.L'TOKJiuilll
суры и металле на обссссрп-
tniBie
снос о б а и х введения
дует отмстить, что в некоторых
с л у чаях (ш цсо и (ю гттиогпе нпе N а;!О :
: SiO? или высокая концентрация
серы) можно даже получить (и
лабораторных условиях) коэфи-
циент использования соды выше
единицы >9 3), что объяс-
ла2СОй
кяется растворимостью FeS и MpS
в Na2S и в шлаке, образуемом при
обессеривании. При низком же от-
ношении Na.,0 : SiO? обессериваю-
щее действие соды значительно
меньше стехиометрического. Поэто-
му на практике должны быть при-
няты все меры к тому, чтобы вос-
препятствовать попаданию кнели! к
шлаков пли кремнезема в зону ре-
акций при обессеривании.
б) В л и я вне с о е т з и а о б е с-
сср и в а ю щ и х р е а г е и т о в п
В поисках оптимального обессери-
вающего реагента были испробованы разные элементы, в ого-
Изменение состпаа чугуна при плавке
577
бешшетп элементы I. ц II сруцц таблицы Меня елеен,и (Li, Na,
К, Вс, Са, Мц, Sr, На), При этом наибольшее ппимапиг уделя-
лось углекислым с<>едиае[ш5[М, которые по силе обсссср и па г >ц цто
дстстпия могут бал (, расположены к следующий у бы i hi п л ш t и
ряд: NaXOi, К-Со,, |‘аСО::, SrCOs, СаС(.);.
Слабое действие С.чСО, объясняется тем, что он медленно
реагирует, распадается до ре.ткшш и поэтому плохо перемеши-
вается с металлом. Сыделеиис же СО-> нз %',:%(+ происходит
ео время реакции, протекающей очень быстро, что способствует
персмсинжапию и лучшему обессериванию. Поэтому при при-
менении СаСО3 необходимы флюсы (CaFa, NaCl, МазСОз)
В частности, можно укатать, что сплавы СаСОз — На2СОз дают
эвтектику с температурой плавления 7863. Смеси подобного рода
рекомендуются часто в качестве обессеривающих. Например,
С. О. Внтензоп и Н. П. Копашко рекомендуют вести обессери-
вание смесью, состоящей из 50% СаСОз, 30% CaF? и
20 % NajCOs, в количестве 1,5% от веса металла. Смесь лучше
всего предварительно сплавить после размельчения п давать на
дно ковша нлп копильника при условии предварительного отде-
ления чугуна от кислых шлаков. При этом достигается обессе-
ривание в размере свыше 30%,
По опытам II. II. Чижевского, хорошо обессеривающими
свойствами обладает также карбид кальция (C.'iCL), к которому
п качество флюса добавляется около 30% NaCl б В этом случае
в результате реакций образуется сульфид кальция. При расхо-
де CaCs в 0,4—0,6% достигалось обессеривание до 50%. Были
опробованы также другие карбиды (SiC, А%С%, каустическая
сода1 (NaOH), разные смеси (7% СаС2 + 93% NaaCOa нлп
40% СаО+ 60% Ca5N2) и т. д.
Однако все эти реагенты либо не имеют преимуществ перед
кальцинированной содой, либо дефицитны (Ca5N2). Поэтому ча-
ще всего применяется каустическая сода, которая дает более
высокое обессеривание и не требует применения флюсов (еще
большие перспективы имеет сейчас применение магния).
Применение ?<?.=СО3 сопровождается выделением большого количества
вредных газов, что является недостатком .этого способа. Однако введение
'. соды под слой древесном ут,.тя. как показали Л. И. Сеиебрнер нА. М. Штери-
’ берг. дает возможность ндбавиться от этого недостатка.
Задач,т йзклгочзстся в том. чтобы повысить ло по.ъто-длого предела обее-
. cepiii'.r.icnriyio способноеть тоды п уменьшит!, гъ ргсход. С этой целью prioi-
мет1Д\1'|Ч'Я lipiiMCiieiTirc h..t:.'iu.ieион игенотоп го h,i, гак как сода и iiH.c.1 но-
pciuiioi (ггг "ТО,ниш потери при присадке и чугун. [фи этом для ywrni'iiia-
НИЯ р;: 1 Т.г i;i!ii,ii футеровки (Ттду [имтмендучти Тлп-ДГо И Кении пог.Т' Тог". к.'ТО
I. он будог лrirojiiii.’it чугуном ripTiMcpno ид >'в-высоты.
1 При ]i;i3.'i<>>"CBitn NaCl выделяется болыиое количество с-т.-ръ что
способстаует ncpcMCtiiHaaHiiiO н, следомтс-льно. обессериванию.
37 Зак. ВОЗ
578
Плавка чугуна
Несмотря нр 1>се указанное миры. обееесрпкиркс. содой в заводских
условия .к !t[|[t пе нрСИОСХОДИТ Й1— 30% uplr pJKXo р р СОДЫ В 0,5%, ЧТО НГ
т-гд;| мг1><д. г удовлетворить практические нужды лиишиих цехов. Поэтому
1[рог5<>л;Пси не следования по измен,’ihhio иутеп д; । л । , । f г;,,, ,,гп повышения эф-
фектщпюстп действия соды. Ociioisiioe rranpHfs.TCTirte и этих работах — достп-
хорошего поремешигю;иiя соды с металлом. Для -ц чго предложены
> е... л,е,;./с,9
1’;тс. о7\ ГТодж-.д соты пол
.ао.'ал.а г, ciB'Hna.-aaiiti: гр.'крч-
тойоГ! или pcp.T-.ariecKoi; трубе
рлсрыднпаипе соды ш. ыухстм. мехаин-
пеское [>е рем emit в.ап а < чугуиг! мешал-
кам;!, продувка азотом р т. д. Наиболее
простой, но весьма эффективный спо-
соб разработан кафедрой питейного
производства Ленинградского политех-
иичеекого института им. М. И. Калинин;'
(рис, 375).
Расплавленная сода заливается г.
специальную графитовую пли керами-
чс.ску'о трубу, открытую с одного конца
Зттгм концом труба меДлеш.-о опускает-
ся в ковш с жидким чугуном, причем
COTS постепенно реагирует с поднимаю-
типчт.я в трубе металлом. Этот споус-г,
<>''есие'-:ацаег сиеессрчпанис в рзлмегн.
рлпри коэфнтшепте [1спол:,зон;:
Ни;: соды, близком к елшшце (таксш
i । .o' ок: । й код'-нт: и и41 гт объясняется нс
to.i'..i<'i иитгисн.ин.гм ricpCMcniji я а ниг-с
>!l.t;iha г' Ч V :'Vi‘: ;|<> Il Е t ll'Tl.Tl С1111Ы
:!га<"| i.bo p i).
..’ L I • 11 OiH it a !< 11 rsЯ '‘ФФ('1:ТИИ1И>1'Т|| лей
ггг.o' со.ты полсти1 г также миогекрат
пои HL'ilonbai'ia'PiiO' co.wirP'o
arr'ii uc.tOici pc коме i [Дуете я, ihihphth'/
приме-нише чайникового ковша с л-.
дер и: по й шлака для его повторного использования. Несмотря на небел ьш а-
последующие дбжш к содовому шлаку, процент обессеривания держит?'
на высоком урозне;
06eccepiit'»iii:e
1.7; -‘-0,5 -0.25
«1 67 60
в) В л и я п и е футеровки, состава, температурь:
чугуна и других факторов. Образующийся при обессе-
ривании жидкого чугуна шлак весьма активен и сильно разъе-
дает кислую футеровку ковша или копильника, вследствие че-
го, как показывают литературные данные, повышается отноше-
ние SjOorNasO в шлаке и понижается обессеривание:
Сод.-!, % .... ............ 0,5 1,0 1, '> С.л
''гОГ’ГгЧ'рипрнИ'..: чугугг.Э С 1)5"% S:
при доломи [ОгИлй (ртрты, %, 32 .% 41)
np;i К1и’;юй .......... % - 7 19 32 24
То гг.с [(олучш'тся при Ш1М['и<- к।K'.Ti)ti футерш-.км ма; иг ш :ч
пои пли графитовой. З.чл‘I- я।:с orfiCHtioii футеровки .'.’rouiHni"
возраегш'т- ког.йа исходны;"! чугун характеризуется шеший кю-
и (чпр а ш и’ ii серы, так ки; в этт1'-’ случае киеллч футе р<. с: к л имеш'
МИЛУЮ -неф'.'кт;т в ность.
Из мс не tine состава чугуна при плавке
579
Исследования автора' л Ф. Д. ОболенЦепа
увеличение количества соды повышает процент
чугуна, однако коэфнинепт использования соды
понижается:
бола, %........................... 0,3 0,5
Коэфиниснг |гыю.1ьзовлинн соды:
после, выдержки 5 мин........ 1,1 0,9
после вадермн 10 мин .... 0,9 0,7
после Выдержки 30 мин .... 0,7 0,7
показали, что
обессеривания
при атом резко
1,0 2,0
0,5 0,3
0,5 0,3
0 4 0,2
Поэтому, несмотря на высокое обессеривание, большой рас-
ход соды технически ц экономически невыгоден; на практике
ограничиваются обычно расходом в 0,3—0,5%. В тех случаях,
когда необходима получение очень низкого содержание серы,
расход седы доводится до 1%. Однако использование указан-
ных выше мероприятий по увелпчешпо эффективности действия
соды дает возможность и в этом случае добиться значительного
сскрангешш ее расхода. При этом длительная выдержка под
содовым шлаг,'ом оказывается даже вредной, так как реакция
обесссривапня идет при этом в обратную сторону, что особенно
Опасно при 7:р;Н'.гене’['1и йдгм с г; иглой футоров коп. В эюм слу-
чаи необходим,г сразу поелс заполнения когнна и подъема под-
!шжн<ио содового шлака на 1।онерхt1ость сгустить его cvxoii па-
вестью плн толченым нзвеегняком и счистить с поверхности
металла, чтобы посирс-
нятствшмтп-, течению
обратной реакции-
Следует указать на
противоречивость дан-
ных по влиянию тем-
пературы на обессери-
вание, что объясняет-
ся наличием двух про-
тивоположных факто-
ров. С одной стороны,
повышение температу-
Ркс. 376. Е1лиянле у res ер'.ада > кремния и мар-
ганца гы обессеривание чугуна пр1г присадке
ti,соды (сплошные aiiitna — изменение- со-
держании с.с;:и г- результлте присадки соды-
(> Элементы,; И Vti,Мирные Jlitriiti[ —- измоыvsiiro
годе |»Ж ан п и Г'Т'|>г I, [le.'iya (.тате и и пс-чдкй
roji[iK<i сады)
ры способствует про-
ге канн ю эндотс р м п ч о-
ской реакции обсссе-
рпгшшш (19йф с дру-
дш стороны, — СПО-'
соисмд'сГ । ;с 11 а рем: t to
соды. Поэтому псслс-
Дог.нti11я <'б:ы[1 ужннают тс. положительное, то отртш.игели1,юс,
влияние температуры на обеес,учти,тине. Нэиболе- эффектив-
ными яплшотся средние темп('|.>атуры ~ 1350°, при которых чу-
580
Плавка чугуна
гун имеет еще достаточную жидкотекучесть,— реакции обессе-
ривания успешно протекают в нем, однако без сильного испа-
рения соды. На эффективность обессеривания оказывает также
содержания серы а чугуне на
его обессеривание
влияние состав чугуна. Как видно
из общей формулы обессеривания
(195), наличие раскислителей дол-
жно способствовать процессу уда-
ления серы г,з чугуна.
В соответствии с этим автор и
Ф. Д. Оболенцев пришли к выводу
о благоприятном влиянии углерода,
кремния, а иногда и марганца на
обессеривание чугуна (рис. 376),
причем эффективность действия со-
ды, как оказалось, понижается с
уменьшением исходного содержания
серы в чугуне (рис. 377), Поэтому
процесс обессеривания должен про-
водиться особо тщательно в тех
случаях, когда необходимо полу-
чение очень низкого содержания
серы.
5, ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПРИ ПЛАВКЕ ЧУГУНА В ВАГРАНКЕ
Одновременно с изменением содержания углерода и серы
в чугуне происходит тот или иной угар других элементов. Глав-
ной окисляющей фазой и в этом случае является газовая. Од-
нако шлаки также играют видную роль, способствуя или пре-
пятствуя окислению элементов в зависимости от характера обра-
зующихся соединений.
а) И з м е н е н и е со д е р ж а н и я фосфора. Несмотря на
то, что упругость диссоциации РеОз меньше, чем FeO (рис. 365),
фосфор в противоположность железу не угарает в обычных ус-
ловиях ваграночной плавки, так как этому препятствуют кислые
шлаки. По этой причине весь фосфор шихты полностью перехо-
дит в жидкий чугун. При наличии Р2О5 в шихте значительная
часть фосфора (около 50%) восстанавливается при плавке
в вагранке. Поэтому для повышения содержания фосфора
в чугуне можно прибавлять в шихту в качестве флюса апатпто-
нифелиновую руду, имеющую следующий примерный состав:
PtO., % AljOa, % ТЮ». % S1O8, % СаО, %
20—40 5—15 До 25 25—50 До 30
Изменение состава чугуна, при плавке
581
Применение около 10% этой руды повышает содержание
фосфора в чугуне на 0,5—0,6%. Понижение же содержания
фосфора возможно только при достаточно основных и окисли-
тельных шлаках, для получения которых необходимо вести
плавку на основной футеровке с некоторой добавкой руды и ка-
честве флюса для повышения содержания ЕеО в шлаках. Пони-
жение, как показывают исследования, содержания фосфора
происходит в тем Йолыией степени, чем меньше концентрации
кремния в чугуне.
St р р FeO СаО Ой
в шит, % в металле, % в шлаке, % в шлаке, % в шлаке, И
О 15 0 13 0,03 1,74 38,4 “28,0
1’37 0’11 0,06 1,00 44,8 35,4
Поэтому практическое проведение дефосфорации возможно
только при малокремнистом, в частности при синтетическом,
чугуне.
б) Изменение содержания кремния, марганца
и других элементов. Сопоставление упругостей диссоциа-
ции СО., и окислов других элементов (рис. 365) показывает,
что кремний, марганец и железо должны окисляться в обычных
условиях ваграночной плавки (например, при > 0.5), при-
чем кремний и марганец предохраняют в известной мере от
окисления железо. Чем больше концентрация этих элементов
в чугуне, тем меньше упругость диссоциации их окислов, тем
больше их абсолютный и относительный угар.
Величина этого угара колеблется в следующих пределах:
Относительный угар, %
кремний..............10 —30
марганец.............15 —40
железо........... . 0,2— 1,0
Абсолютный угар, %
0,1—0,6
0,1— 0,4
0,2—1,0
Общий угар: 0,4—2,0%
Общий (суммарный) угар элементов зависит, главным об-
разом, от расхода воздуха и количества и качества топлива;
При этом увеличение количества воздуха, подаваемого в ва-
гранку, а также уменьшение реакционной способности топлива
увеличивают общий угар элементов вследствие повышения кис-
лородной зоны и увеличения коэфициента сгорания.
С увеличением размеров кусков кокса, т. е. с уменьшением
их реакционной способности, угар железа, кремния и марганца
увеличивается (рис, 378). Также девствует увеличение количе-
ства воздуха, а также повышение плотности топлива или пони-
жение его реакционной способности. Поэтому при плавке на
коксе или антраците получается больший угар, чем при плавке
на более активном древесном угле.
582
Плавка чугуна
Большое влияние на угар чугуна в вагранке оказывает так-
же относительный расход топлива. С уменьшением расхода топ-
лива понижается зона плавления. При этом состав газов в кис-
лородной зоне не меняется. Однако вследствие понижения зо-
ны плавления расплавление чугуна происходит на более низком
уровне и в более окислитель-
ной атмосфере, причем угар
элементов увеличивается. Та-
ким образом, излишняя
экономия в топливе
приводит к большему
угару. Поэтому минималь-
ная себестоимость переплава в
вагранке получается при ка-
ком-то среднем расходе ко-
кса, обычно оЛоло Ю—12%
(рис. 379).
На величину угара оказы-
вает влияние также окислен -
ность шихты, с увеличением
которой угар элементов повы-
шается. Поэтому для уменьше-
ния угара следует избегать
применения в шихте горелого
лома. По той же причине угар
повышается с увеличением ко-
личества стали и стружки в
шихте. Особенно большой угар
Рнс. 378. Влияние размера кусков
кокса на угар элементов при плавке
о вагранке
элементов, в том числе и железа, получается при плавке на не-
брикетированной окисленной стружке. В этом случае потери
металла при плавке в вагранке могут достигнуть 20% и боль-
ше. Однако угар железа и его примесей оказывается большим
даже при неокисленной стружке, так как она окисляется в ва-
гранке во время схода колош, чему способствует ее большая
поверхность.
Для уменьшения металлургического угара в этом случае
Л. М. Мариенбах рекомендует понижение коэфициента сгора-
ния ваграночных газов путем увеличения расхода топлива
или частичной замены кокса более активным топливом. Эти
мероприятия в большинстве случаев нерентабельны, и поэто-
му наилучшим способом переплавки стружки является предва-
рительное брикетирование, хотя в небольшом количестве (около
10—15%) стружка может быть переплавлена и навалом.
Во всех случаях следует иметь в виду, что величина общего
металлургического угара при плавке в вагранке зависит от
Изменение состава чугуна при плавке
5УЗ
Рис 379. Влияние расхо-
да топлива па ссбестои-
масть исрсплпва в ва-
гранке
температуры, с повышением которой он, как правило, умень-
шается, так как углерод в этих условиях препятствует угару
элементов. Поэтому подогрев дутья и обогащение его кислоро-
дом уменьшают общий угар при плавке в вагранке.
Что касается угара отдельных элементов, то при постоянном
суммарном угаре они предохраняют друг друга от окисления.
Поэтому с увеличением угара одного
из них уменьшается угар другого. На-
пример, чем больше угар кремния и
марганца, тем меньше угар железа, и
наоборот. Точно так же увеличение
угара марганца уменьшает угар крем-
ния.
Большое влияние на угар отдель-
ных элементов оказывает состав шла-
ков. Например, кислые шлаки, связы-
вая основной окисел марганца, спо-
собствуют .его большему угару. На-
оборот, основные шлаки увеличивают
угар кремния и уменьшают угар мар-
ганца.
Угар легирующих элементов опре-
деляется теми же закономерностями,
что и угар обычных примесей, Как
видно из рис. 365, упругости диссоциа-
ции окислов хрома и марганца близки
по величине. Поэтому в обычных усло-
виях ваграночной плавки угар хрома* примерно такой же, как и
марганца, и составляет около 20%. Упругость же диссоциации
NjO значительно больше, чем FeO, — ио этой причине никель
практически не выгорает при плавке, так как железо предохра-
няет его от окисления. Аналогично никелю ведут себя молибден
и медь, характеризующиеся высокой упругостью диссоциации
окислов. Все эти элементы практически полностью переходят из
шихты в жидкий чугун. Другие легирующие элементы (алюми-
ний, титан) характеризуются, наоборот, низкой упругостью дис-
социации окислов и поэтому подвергаются большому угару при
плавке в вагранке.
Следует отметить, что чугун при плавке в вагранке обычно
насыщается газами (Оз, N2, Нг). Имеющиеся немногочисленные
наблюдения дают возможность утверждать, что с повышением
количества воздуха и содержания в нем влаги, а также с умень-
шением расхода топлива и с увеличением количества ржавого
лома в шихте содержание газов в чугуне (в особенности водо-
рода и кислорода) увеличивается. Например, согласно исследо-
584
Плавна
вапиям II, Г. Гцршовнча и А. Ф. Ланда, увеличение количест-
ва окисленной стружки в шихте приводит j, следующему повы-
шению содержания кислорода в чугуне:
1 М< 0. 11-|) I j; I Д струи£ка 1> IlilIXtT, % , — р.Т Ж)
Ы2 к ‘г.тущг, % ................. 0,<Ц1и (> до1, (j i)]l)2‘.!’2
6. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ЧУГУНА ПРИ ПЛАВКЕ
В ДРУГИХ ПЕЧАХ
Плавка в отражательных, электрических ц других печах
также сопровождается теми или иными изменениями состава
металла, которые определяются общими закономерностями.
а) Изменение состава чугуна при плавке в от-
ражательных печах. Основной окислительной средой, вы-
зывающей изменения состава чугуна при плавке в. отража-
тельных печах, является газовая атмосфера. До момента
расплавления шихты печные газы воздействуют па чугун непо-
средственно, после образования жидкой ванны — через шлаковый
покров. Вследствие более длительного периода расплавления,
первый этап окисления элементов чугуна в отражательных пе-
чах имеет большее значение, чем при планке в вагранке.
Поэто.му состав газовой фазы и время плавления шихты иг-
рают главную роль при определении угар.т элементов чугуна.
Можно принять следующий средний состав газов отража-
тельной печш
% СО. ог. % мг. % т,, %
12,7 3,1» 1.1 82,G 78
Коэфициент сгорания и окислительная способность газов при
плавке в отражательных печах выше, чем в вагранке, вслед-
ствие чего и угар больше. При этом происходит окисление не
только железа, кремния и марганца, но и углерода. Хотя угар
углерода по абсолютному значению меньше угара кремния
и марганца, он имеет очень большое значение, так как содержа-
ние углерода трудно регулируется.
Следует иметь в виду, что угар элементов тем больше, чек;
выше температура, чем длительнее процесс расплавления твер-
дой шихты, чем больше ее поверхность и чем окислительное
характер печных газов.
Особенно большое значение, как показывают исследования
А. Е. Кривошеева и Р. Еу.тиишюго, имеет длпп’льшю
плат,mi 1рШ’. 3?<0). Зшгк'цш- л<хю фактора сказьп-.ш-тся также
ft ироштее насыщения чшуиа серин через газовую фазе. При.
этом шшш'ПТ]1;ишя серы в чугуне может увс-'Ш'Птимн иль
остаться без изменения в л;»висямости от содержания ее в тгш-
If вменение состава ‘tyctifitt при плавке
385
шиш и с печных гччч.х. Содержание же фосфора ссщстся прав-
'I !|i|CCi<!I без ПЗМt Ж-Ж1Я.
Рис. 380. Влияние врем<-: н гг.ч;ин<г! на угар элеменгоа в otpa-
жатадьгюи печи
lijiaivK’iuuT. Поэтому подогрев ыду.ха, ускоряя iipenuvc it„i;ij'.-
ж.ния iiuiXTi.f н отражательных ш.'чах, шишжж.т угар эле-
ментов, несмотря на шшышешщ темпера гуры, которое само
по собе способствует угару. Точно так же твеличепие в
некоторых пределах
коэфициента сгорания
и соответствующее по-
вышение температу-
ры могут иметь слсд-
ств нем, по данны м
А. Е. Кривошеева и
Р, С. Рудницкого,
'уменьшение угара
вследствие' ускорения
плавления (рис. 381).
Во избежание бо/ишишо
у гтото элементов не следует
1И 1..Г.Л<>1ЫТ|,<.'Я Острым П..ТЛ-
М1,:п: я С НыСоннм кспф!ntn-
Рис, 381. fiOitHiriie с, де(>Ж.'Инн CO-.; a । a.
па угар <i..itp<ж i и отражательной ш.ти
e;i><|:4 <' 'lU.iJitiii в прПцеС/е
расч.,.а''..к,1"Ы Bp mw же мтч.|;п. iuH'AH ускорение n;iat,..i|4Hi,.i hiic< : ij
И [icHH бен Ki>S<)n(lt!Tpi(T,'i <’>'11» 11' i - XI U>
WVK'iiruB a i).i< видение mct;i,:ii;ih Cbl'O" I"' Ж’-1 уменьшаются. Всле.н'.'т.;",' iTiji’o
BCjfiiHf: H i-.oi|.;n BlA'iutaKipinxet! н-лял. свособетнуп тсплог,(т.дьже а ускоряя
плавление 'ivrvua. понижает пелоШР',' УгаРЖ
586
Плавка чугуна
Так, например, металлургический угар в таких печах обычно составляет
только 1—2%. что весьма близко по величине к угару в вагранке.
Угар элементов уменьшается также при ускорении» процесса плавления
путем своевременного сталкивания крупных чушек чугуна оставшихся не-
расплавленными, в образовавшуюся уже ванну жидкого металла.
Следует иметь в виду, что ц способ завалки может окапать
влияние на величину угара. I"
> завалки может окажт» заметное
Шихтовые материалы должны быть располо-
жены в печи так, чтобы крупные чушки
с относительно небольшой поверхностью
находились наверху, вблизи от факела го-
рения. При этом достигается не только
более равномерный прогрев всей садки, но
также меньшее окисление элементов
и меньшее насыщение чугуна серой, так
как основному газовому потоку в верхней
части печи предоставляется сравнительно
небольшая реакционная поверхность круп-
ных кусков шихты. Вместе с тем между
кусками шихты должно быть оставлено
достаточное пространство для прохода па-
зов с целью ускорения прогрева.
После окончания расплавления
начинается процесс перегрева чу-
гуна в жидком состоянии. В этом
периоде жидкий чугун покрыт
слоем шлака, и все реакции, про-
исходящие
уже через шлаковую фазу. Ин-
тенсивность
ко меньше,
Поэтому насыщение серой,
же
в меньшей степени, чем в процес-
се расплавления шихты. Окисление же углерода так сильно
повышается с температурой, что угар его в периоде перегрева
жидкого чугуна оказывается более высоким, чем в периоде рас-
плавления.
Как показал Б. В. Архангельский, угар углерода интенсивно
возрастает с уменьшением глубины ванны, причем максималь-
ный угар получается при высокой температуре и окислительных
шлаках (рис. 382).
О,Я
№
3^'
* (J3S-
ЦЗЬ-
$33-
з !О !8
Количество .четалл j опечи,да
' 1 1___t---:---1______1
235 25S
fortlith, ЧЧ
Рис. 382, Влияние глубины
ванны на угар углерода в от-
ражательной печи при работе
на жидкой завалке
марганца происходит здесь
в ванне, протекают
этих реакций нссколь-
чем в первом периоде,
а так-
окисление железа, кремния и
При плавке в отражательных печах шлаки имеют обычно следующий сос-
тав;
SiO,. % АьО., % FeO, % М11О, % СаО, %
Пн—60 5—15 5—» 4-20 8—25
Большое содержание окислов железа и марганца в шлаке способствует
угару углерод,!, который при высокой температуре предохраняет от окисления
другие примеси. Этому благоприятствует высокая концентрация и большая
скорость диффузии углерода. Поэтому угар кремния и марганца в этом перио-
де иногда весьма ограничен. Так, например, по наблюдениям Б. В. Архан-
Изменение состава чугуна при плавке
587
гсльскиго, содержание кремния в чугуне цри перегреве в отражательной печи
почти не меняется, угар же марганца не превосходит 10—16V/o.
При очень кислых шлаках (SiOa >55%) происходит даже восстановление
кремния, так что на практике наблюдалось увеличение концентра пин крем-
ния в чугуне с 1,0 до 1,2% 11р11 содержании SiO2 в шлаке 66%. Для борьбы
с восстановлением кремния необходимо уменьшать содержание SiO2 в шла-
ке, что достигается соответствующей добавкой известняка.
Также и по другим данным угар кремния и марганца почти равен нулю
в условиях работы отражательной печи на жидкой завалке (двойной процесс.
вагранка — отражательная печь),
в то время как концентрация
углерода при этом понижается
(рис. 383).
При плавке в вагранке содер-
жание углерода > и серы повы-
шается, а содержание кремния
и марганца понижается. При пе-
регреве же чугуна в отражатель-
ных печах содержание кремния,
марганца и серы2 практически
не изменяется, в то время как
концентрация углерода неуклонно
уменьшается. Интенсивность этого
Вугара (наклон кривых на
рис. 383) зависит от температуры,
состава газов и шлака и глубины
ванны. Чем выше температура,
чем больше содержание FeO
И МпО в шлаке, чем полнее го-
рение топлива и чем меньше глу-
бина ванны, тем интенсивнее угар.
Угар кремния и марган-
ца в процессе персгре;ва
ванны также достаточно ва-
лик и, согласно А, Е, Кри-
: вошееву и Р. С. Рудниц-
кому, зависит от длитель-
ности плавки (рис. 380) и
содержания окислов (рис.
384),
Таким образом, изменяя
Рис. 383, Изменение состава ковкого
чугуна при плавке двойным процес-
сом: аагоанка — отражательная печь
коэфициент избытка воздуха, емкость ва'нны, а также толщину
и состав шлакового покрова, можно изменять интенсивность
угара углерода и других элементов.
Следует иметь в виду, что во время выпуска металла из
печи глубина ванны понижается и угар увеличивается. Поэтому
в периоде разливки необходимо ускорять выпуск чугуна из печи
I Содержание углерода в чугуне зависит от содержания его в шихте,
Соответственно этому на рис. 383 дан ряд кривых с разным содержанием
, углерода в шихте — от 1,25 до 2,45%.
г На рис. 383 показано, что при передаче чугуна из награпки в отра-
жательную печь производится обессеривание в ковше.
5S8
Плавка цугцна
и понижи п, окислительную способности г.-|зов и шлаков во из-
беж.тциг сильного изменения ссютпв.ч ,wi n.i.i?.
Общие изменение состава чугуна оирюц-лш-тся соответст-
вуют, otn изменения.ми н]Ш расиаагаичн-.н и перегреве. 11рн
Л(Н( (} первом периоде происходит иреимущ'.'етащ|нос ОКИОН-
fme железа, кремния п марганца, а во втором периоде— угле-
рода (табл. 56).
Из табл. 56 видно, что угар элементов во вращающихся
печах меньше, чем в стационарных. Пригар серы в стельной
Р(ы. 35-(, Влияние Содержит.. То'О г;
ниже ин угпр углеродн и m.ij>r;tntci
п отрижгге ".niioi'i rio'i'.t
степени зависит от состава
топлива, причем этот процесс
идет почти исключительно в
персом периоде плавки. После
расплавления происходит
обычно некоторое обессери-
вание чугуна за счет коалес-
ценции и всплывания суль-
фидов. Переходя в шлак, они
частично окисляются печными
газл'ми, с которыми соответ-
ствующая часть серы уда-
ляется п дымовую трубу.
Содипжшие фосфора н чугу-
не. остается практически бе-
измешищя, те.оретнчгс'Ю! ж-
оно несколько повышается вследствие vraoa остальных элемен-
тов. Что касается легирующих элементов, то их изменение пгш
плавке в отражательных печах аналогично тому, что происхо-
дит при плавке в вагранке.
Металлургический угар при плавке в отражательных печах
колеблется в пределах 1—3%, общий угар 4—7%.
Таблица оС
Изменение состава чугуна при плавке в отражательных печах
Элеиииты Отнсс.итедъны’я угауь %
стационарные печн: ьрл(иат<?1глие4гя
I П^рИ(1Л II период псе го I период И пеу'иох всего
\ ГТ'р -Д ..... 0—10 10-20 [0 30 0-5 5-15 5- Д'
К [ i-л м ; । и и > . . . ?!)- 41 > о —1о ’..’г) - - 51) )ц—;0 0—3 15 —-
ДТ,|[1| • • . Ч'(>-(|."|| 25- 5п И— + 23 1 + 21) - ДО 0- 10 20 -ж
Сера +(10-50) (и- 10; 0—50 +(0- .30) -(0 10) ( — 10) ( + 3"
Дтг.тою 1.0-2,0 1 1,0—2,0 0,5—1,0 0,5-1 .г
Изменение состааа чугуна при плавке
589
б) Изменение состава чугуна, при плавке
г, э л ектрпческп х и тигельных п е ч а х. Изменение со-
става чугуна при илгшве и электрических и особенна г. тшедь-
Ubix печах проке холит г. весьма незначительной степени.
В Hp0Tii)>,<i;ici.'io;i<ifOi'-| (тгражателынФ иечИ И вагранки, евл
тропечь x.'ip.'iKT;';.)H.;yi'-|ея относительно центральной атмосферно.
Поэтому ocijojMiум окислительным реагентом при плавке чу-
гуна в электропечи является шлаковая фаза. Изменяя темпе-
ратуру и состав шлаков, можно в значительной мере окислять,
а иногда, наоборот, восстанавливать элементы в чугуне. Однако
в обычных условиях плавки в электропечи стремятся только
к простому переплаву и перегреву чугуна и поэтому держат
шлак нейтральным. В этом случае угар элементов является
незначительным и не только в первом, но и во втором периоде
плавки (табл. 57).
Таблица 57
Изменение состава чугуна при плавке в кислой электропечи
Силержан[[е
в trnixre | после расплавления j при напуске
С Si | Ми С Si У и С Si Ми
3.78 1,22 0,56 2,68 1,08 0,38 2,45 0,04 0.26
2,84 1,3t) 0,54 2,87 1,12 0,40 2.86 0,98 0,24
2,87 1,31 0,49 2,78 1,39 0,44 2.52 1,15 0,26
2.79 1,30 0,52 2,72 1,31 0,39 2,51 1,17 0,38
2,83 1,26 0,55 2,65 1,10 0,44 2,58 0,94 0.41
Как видно из табл, 57, угар элементов в процессе расплав-
ления чугуна в кислой электропечи настолько мал, что практи-
чески им можно пренебречь. Исключение представляет марга-
нец, угар которого в указанных условиях заметен, хотя и в весь-
ма ограниченных пределах (0,05—0,1%).
Во втором периоде наблюдается несколько больший, ио
также ограниченный угар элементе!?, главным образом, угле-
рода (0,2—0.3%) и марганца (0,1—0,15%), причем угар этот
(в особенности углерода) возрастаете повышением температуры.
Содержание же кремния в чугуне при плавко в кислой электро-
печи может у.мснышггься, остаться без изменения или возрасти
в зависимости от состава шлака и температуры (табл. 53),
Чем выше температура и содержание SiOL, в шлаке, тем
больше восстановление кремния. ?»гот процесс может быть
ocoGeiHio развит в периодо разливки, когда количество металла
в печи постепенно понижается н во избежание его охлажле-
500 Планка Щг'уна
Таблиц a 58
Изчслеицс cecuiea чугуна в процессе перегрева сг., Г! кислой электропечи
в зависимости от состава шлака
1 IJ.uk ’0 1 Ун
$)О», д. FeO. % МпО, % СаО, <; после рнсплаялеяня nf>C,Tf' п€р€ГРе₽3
С. % I Si. К- С j, Si, %
71,8 50,4 18 2 31'8 5,0 9,8 5,7 1,08 S 2,50 j 1,15 2.54 | 0,94 2,40 2,46 1,38 0,93
ния приходится подогревать ванну. Это приводит не только
к сильному повышению температуры в пени, но иногда к сргнво
подины, вследствие чего шлак обогащается кремнеземом.
Поэтому' работа на жпдкон завалке с. постоянным уровнем чу-
гуна в ванне, когда вы/игта металла пт электропечи регулярно-
чсредуетея г подачей жидкого чуг'тна ио негра и к и (двойной
Ppfc. 385. I'knreiTtTiie состава кои к о г о чугуна и кислой шсктро(1ещ( (1а заз-.’оц.
ЗИС Iii.ijitа Лгюйи’ым процессом: а,аг?мк— электропечь)
прл’.шсс: вагратдт элоктршн'Ч!,), характеризуется ошчп, мз
дыми о । ю об а । [ и и i\t[J rJ хпмпшч'ком 'wrano, как это цплпо in дан-
шах II. П. Шумилова' (рис. 385)’.
1 11 а ।'. о г г п1!(- ссщг'рщппцц inni'Tioi объясняется соошетг.тгугыц'й чгп
сшч-шп фгры’мшчанпа г речь.
И .-'..мене ни с- сослана чугцна при плцоне
591
Шлаки в электропечи при таком ведении плавки имеют сле-
дующий средний состав:
SiO,, % AkCV/o 1’uC.X % Ci-,0;-, % УшО, % i’sOj, % S. % С.Юд;
72,i) , %3 12.(i O.f 0,5 0,15 0,25 2>5 0,05
Содержание серы о фосфора и чугуне при плавке в кислой
электропечи также почти не изменяется, хотя некоторое пони-
жение концентрации серы (на 0,05—0,1%) наблюдается обычно
вследствие коалесценции и всплывания сульфидов (в тем боль-
tn ей степени, чем больше содержание марганца в чугуне).
Наоборот, в основной электропечи возможен процесс рафи-
нирования чугуна со значительным понижением содержания
серы за счет "образования карбидных или других шлаков’.
Процесс же обесфосфориванпя обычно н в этих условиях не
производится, так как для этого необходимо предварительное
окисление других примесей чугуна (кремния, углерода).
Кроме возможности обессеривания металла, плавка в основ-
ной электропечи имеет преимущества также с. точки зрения
получения более постоянного состава чугуна (отсутствие вос-
становления кремния!. Одпаг.'л дорлговезпа ос ж итого процес-
са, об УСЛОВЛС ИI f л Я болыш.'й СТОПМОСТЫО И МОПЬШСН СТОЙКОГТ! Л;
футеровки и большим расходом электроэнергии, является при-
чиной того, что для илшши it перегрева чугуна прпменяил'ся,
главным образом, кислые печп. Обессеривание же чугуна
в случае необходимости процзводнгся в ковше соответствую-
щими присадка ми соды. Измепеч-те содержания других элемен-
тов достигается путем присадки руды или ферросплавов,
С целью понижения содержания углерода практикуется при-
садка стального скрапа, с целью повышения — присадка элср-
тпешного боя.
Т а б л и и и 59
Изменение состава чугуна при плавке в тигельных печах
Содсржанссе элементов, -S
ДО РЛСПлЛнЛС'НГ|<1 iificjre расплавления
! С 1 Si S р С Si М:1 S I1
т — - — . — - —. — -
1 '! '>"т 1 1,K5 а яз 0.11 0.1? .З.Г2 1 , ST О ч? 0. 1 1 0.17
Ц.як 1 1 ,(й 0,42 [ 0,07 0.11 У, я;. 1,01 0,12 0.07 0.11
i Т' пр':': г: Гглсгцкд прг.>цпсг.бсnirli-n<Iип
н.злаг,Ч|Отж; н ктрсг- сЭ.тсктрометпл/гургпа стали».
.Vr-ITH ислреОпс
502
Плавка чцгнна
Нейтральный характер атмосферы и азгингрованио-сть метал-
ла от источника тепла являются причинами того, что при
шчавкс И'Л'.на в тигельных печах практически почти не проис-
ходит ।юм( [теиня химического остана металла (таил. 59).
Нсншчм является также то o5ctohtcjii.>cti;o, что пасышенис
чу ту ;; । талами при плавке к. тнгсльиых исчах происходит
с мсившей степени, чем в каких-либо других исчах. Однаго
практического применения тигельные печи в настоящее время
уже не имеют, так как технические преимущества их незначи-
тельны, а недостатки (малая производительность, большой рас-
ход топлива и высокая себестоимость) — очевидны.
/шл/;.; XII
СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
ПРИ ПЛАВКЕ, И ШИХТОВКА ЧУГУНА
Сырые .натериалы, применяемые при плавке чугуна, весьма
разнообразны н состоят из разного рода металлических состав-
ляющих, топлива, флюсов и огнеупоров.
1. металлическая шихта
В качестве составляющих металлической шихты применяют-
ся чушковый чугун, ферросплавы, стальной и чугунный лом,
собственные отходы производства (литники, брак) и стружка.
а) Чушковый чугун. Действующие в настоящее время
ГОСТы предусматривают изготовление доменными цехами
следующих марок литейного чугуна (табл. 60).
В зависимости от рода топлива литейный чугун может быть
коксовым и древесноугольным. И тот и другой
классифицируются по маркам в зависимости от содержания
кремния. При этом каждая марка коксового чугуна, в свою
очередь, делится на группы, классы и категории в зависимости
от содержания марганца, фосфора и серы.
Как видно из табл. 60, ГОСТ предусматривает' две группы
по марганцу, четыре класса по фосфору н две категория по
содержанию серы. Эти коксовые чугуны выплавляются как
южными, так и центральными и уральскими заводами.
Спетый по фосфору чугун (класс А. гематит) выплщ;л>1ется
как на юге СССР, так л па Урале па соответствующих чистых
рулах. Нп заводах же центра.’п-юш части СССР, применяющих
местные фосфористые руды, выплавляется обычно фосфористый
чугун классов Г> ц Г. Чугун с более низким содержанием фос-
Классификация литейных чугунов
и категории не делите.
Плавка чугуна
фора (класс Б) может быть там выплавлен только на привоз-
ной руде (ПНПрИМСр криворожской).
Дрспесиоугштьный чуГУП выплаадяется только на У|>.ч.:|е и вследствие
болие пиаь.ой температура плавки содержит меньшее к, шшн-щио кремнии. Ци-
этому A[;e;n’emtyiwibiiijii чугун Л-.1 I (ЛД-1) соотщтг । пущ i1(i содеРж;iiii1to
крехшия к>.жс.оиому чугуну Дт 2 (ЯК<’>. Дрcueсноуг<стниыи чугун яс разби-
вает сн ну группы, классы и категории ц кщкдни марка его имеет определен'
гтый состав в пределах данных тайл. tit).
Кроме, обычного ин сенного чугуна, паши доменные заводы выплавляют
еще спсцилльиьги литейный чугун. при_меиягощ||Ися для прошито дстш: ковкого
чутуиа (марки КК и КД), валков. (ВК и ВД), колес с отбеленным ободом
(ЧК) п для поршневых колец аг,иапр.омь,лп.щщноети (ЯКА). Эти чугуны (за
исключением ЛКЛ) отличаются низким содержанием кремния, а в оо.,чьщнп-
стве случаев—и низким содержанием марганца, что необходимо для облег-
чения графитизации ковкого чугуна ц устранения опасности образования
трещин в валках. Кроме того марки КК и КД, применяющиеся при произ-
водстве ковкого чугуна, хсвактеризуютсн низким содержанием фосфора (до
0,15?-у), в то время как остальные марки ейсцпадгного 'чугуна содержат
фосфор в пределах 0,4—0,9%. Что касается серы, то содержание ее колеб-
лется в ?п|х чугунах в пределах 0,СЖ>—U/J7% в завнеимоет;! от содержания
кремния ц щюсобп плавки.
Применение с пеп.иалг, но го чугуна в значительно!! степени облегчает за-
дачу лптсГкпша при про из взлет не некоторых видов отлигмщ, н частности не-
обходимо иметь чугун с низким содержанием углерода (мень-
ше 3%) для получении остинок на малоуглеродистого чугуна. Обычно же
еоДсрящнее yr.npo,'i;i и чушю hx.i.m 'ly.'y'hi- ко. leOpioc.i гейчие i; н р<.-Дг. ta \ ;>,!?..
Прущем 11 il >-:••. il u It llpva.l .; .TiOTIU'H'l г.\ст Г)1.,,| Ы‘ I'.l,генному С:,) I'P'.i; ЩИ Щ(.
К peM 11 Illi, Il Ir'lOU. hpOT.
Cerc/iV'CT н г >Д‘ ।' p к) tvTi., иго nan in литейные, а него нужда юге,। не только
в чугуг.е с нитг.нм сшиты,’.Hiiit'M углерода и к ре '.ГгПг.т. ио и с мс-чким, б,.тип>
(ф.пггным но форме графтом, I loriynuinic такого чугуна возможно, иапрнмср,
путем те 11 ж । во ё обработки дг о'...'. 111 ог:) чу гу на являшея ближайшей задачей
СОГ-СТСПИХ Уг<!-?.'. С.ПЦ1ИИ0В.
Кроне простого чугуна, в распоряжении наших литейных
имеется и настоящее время и легированный чугун (коксов;.>К
и древеспоугольнын), производство которого организует б горе
«Чугуилсгг'р» (та.бл. 61).
Коксовый .тегировав ный чугун разбивается г:д две группы — халиловский
(ХЧ) и едизгЧ ветка скип (ЕЛ К), от.шпыыциеея содержанием хромы. Елиза-
ветинский чугун характеризуется отнотпенпем Сг : Nt - 1,0. Халиловский же
чугун имеет отношение Сг : Nii = 1,7—3,3 и выше в зависимости от класса
чугуна. Каждая группа (ХЧ и ЕЛ К), в свою опсрсдг,, лелится на четыре мир-
ки в зависимости ст содержав и я кремния.
Креме коксового н-'.зызы^етипского чугуна (ЕЛКУ выплавляется еще дре-
веспоу вольный ели.пни'пнн.’клй чугун (ЕЛ Л). Этот я угги содержит, кроме ни-
келя н хрома, еще ванадий и разбивается на чечыве. марки а записимымн
ст содержания кпщ,ц 1С(|.
[ [ (! ОН ВВОДИМЫЙ Тг- Си И У г УТ! X Я p.HiTCpIl II\т-г<4| ВЫСОКИМ ГОЛ (.рж Till г.--.1
У[ЛС[|::,ча. Ч1Т1 Дышщ- щ-,., щтнытдщ.ш для ачтифрикциоппых и некоторых жя
pr It- I > i '| К И X от ЛИНОК.
('.'Ii‘'!У<'T ЫТМС1Т('![,, НТО iqn>MC .литейного чутупл FI ншхгу
AODaij-THi.-r иногда в некотором количестве и передельный чугун
с понпжг|шым содержанием кремния и с повышенным седер-
:’4(j Плавка чугуна
жанпем марiiii[да (до 2,75%). Составы щ-лгл чугуна регламен-
тирую гея ['ОСТ 805—49 и 4831 - 49.
L(.Уг у।!।;jл> чушки Должны имен, нес не Сю/н-г -|г, /ж и длину
ДО 600 Ш,;;. ,! | ИТОЙИЫ Й чугун Д< > Л Ж (' I [ КМСТЬ lie --.;(Ш(Ч’ ДВУХ ПСре-
жшшш толщиной тела пережима по больше It) ддЯ удоб-
ства разбивки чушек на мелаш куски. Чугунные' чушки могут
быть отлиты как к песок, так и в изложив цы (на разливочной
машине). В последнем случае чугун получается с. более чистой
поверхностью, по с большим содержанием газов.
Во всех случаях следует производить проверочный анализ
чугуна из каждого вагона. Хранить чугун необходимо строго
по вагонам с соответствующими бирками.
б) Ферросплавы. Находящийся в распоряжении литей-
щика чушковый (простой н легированный) чугун, отходы произ-
водства и лом не всегда могут обеспечить необходимый состав
жидкого металла, б этом случае недостающее количество того
или иного элемента вводят в шихту или в кошп в виде соответ-
ствующего ферросплава. Практическое применение получили
преимущественно следующие ферросплавы: FeSi. FeMn, FeP,
FeCr, FeMo, FeV. FeTi, SiCa. Некоторые другие легирующие
элементы, например никель, медь, алюминии, вводятся в случае
необходимости в виде чистых ме.галлон, молибден и фосфор
могут вводиться также в виде легко восстановимых окислов.
Указанные ферросплавы выплавляются доменным, электро-
илц металлокерамическим способами.
Доменные ферросплавы регламентируются ГОСТ 805—41
(табл. 62).
Кроме этих ферросплавов, применяются еще электро- п ме-
таллокерамические ферросплавы, содержащие обычно высокий
процент легирующих элементов (Si, Ми, Cr, W, Mo, V, Ti, Са),
составы которых регламентируются у нас ГОСТами 1415, 4755,
4756, 4757, 4-758. 4759. 4760, 4761, 4762-49.
Ферросилиций применяется кад доменный (ФС), так и элек-
тротермический (Си). И тот и другой часто даются в шихту
плавильной печи. Однако применение [жтокоароиептиого ферро-
силиция Сц 90, Си 75 и даже Си 45) г, шш-лу вагранки или дру
гой Ш'Чп с окислительной атмосферой сия шио с большим угаром
креми:।я. В этом случае предпочтительней пользоваться низко-
г.рож'цтиыми д<1ме1шыми сышвами (ФС) иди специально нрнш
топленными бриг.егами, ч'|оГ'Ы пкюжаи, большого угара. Выси-
копр: шеи л; । ,ю сплавы души г давать в ковш или г, ваппу металл;,-
после ржнл.шлетшя, пред вар 111 ел ы щ размельчив их до размере
5—12 мл! в зжшсимаетп от емкости ковша. Следует только
Сырые материалы, применяемые при плавке, и шихтовка чугуна 5! 17
Т а 6 .'1 [г ц а £2
Классификации ;;„менш.!х фсрросплапов (ГОСТ 5"5 — И)
51лрк[г С- |.= '• jki.:рг:। о jjv vein 3 %
i| ерргф пла кг:и с 51 Мп р п;> бгней S не (к',те<1
ФС-1 (1,0-1,5)* >13,1 3 0,20 0,04
ФО2 (1 .5-2,5) 9—13 3 0,20 0,04
3-1 (5-5,5) До 2 20,1 —23 0,22 0,03
.3-2 (1,5-3,0) о 15,1-20 0,22 0,03
Д-З (4—1,3) 2 10 — 13 0,13 0,03
Ч’-Д i (G-7) %.-,' >73,1 и ,;ы 0,75 0,03
ФМ-1 (а.З-Оф) 1 г 70—7 3 0.3.3 0,43 0,03
* Данные ли уысроду, взятие в скобки, не обусловлены ГОС Том.
учесть. что присадка сплава в ™вш сопровождается всегда
соответ ст вуклгпш охлаждением чугуна. Поэтому такая присадка
количественно ограничена температурой жидкого металла и
обычно не превосходит 0.5—1,0%. Подогрев ферросилиция но
применяется, так как вызывает окисление его поверхности и худ-
шее усвоение.
Присадка марганца осуществляется введением в шихту зер-
кального чугуна (3). ферромарганца (ФМ и ХЧН) и силикомар-
ганца (Спмн). При этом унотреблж-лся пекдю’штельио высоке-
у।ле|’одпетын ферромарганец. ДЪлоуглерогшетый ферромарга-
нец (находится заачнтс.тьне Дороже; ц в применении его при про-
ш,г,.., |. гг,с ayiyiiH цет нигинОЙ i[con\-ciиышетн. [| и агон ('.гуаве
Iац ые, как при присадке ферр.к'ii.aиIиiя, целесообразно iiojib.io-
i-j.ti [ .г я П113;н>1|рон.ент11ымп ci in а ва м ii . Ilpn этом не только умсиь-
шается угор легирующих элемечгтов. но достигается еию боль-
шая р а । a i< ' мер и ост г> состава чугуна.
5Q8
Плаака
При од [[опрошенной присадке кремния и марганца можно
дольмшатгся онли комар ганием (С ими). Пос /,ц сплавы имеют
Сравнительно низкую температуру iи;гжк.Ч1i)д около 1200э.
Унсличевие содержания фосфора и чугуне может Гинть произ-
ведено за счет чушкового чугуна (табл, GO) пли [[рпеадки фер-
рофосфора. Возможна также присадка легковосстановнмых
ок।гелоз в виде апатнтонефелиновой руды.
Что касается легирующих элементов, то наиболее выгодным
является введение их путем присадки природнолегированиого чч-
гуна (табл. 61), что не только уменьшает стоимость жидкого
чугуна и отливок, но также повышает однородность чугуна и
эффективность действия элементов. Поэтому употребление фер-
росплавов при производстве чугунного литья ограничено: они
применяются только при отсутствии соответствующего природно-
легированного чугуна или при необходимости производить при-
садку в ковш. В этих случаях пользуются ферросплавами, соста-
вы которых регламентируются соответствующими ГОСТами.
В качестве феррохрома (60—65% Сг) пользуются главным
образом высокоуглеродистыми марками (Хр2, ХрЗ, Хр4, Хрб).
так [как они не только дешевле, по характеризуются также более
низкой температурой пл а идеи ия и обеспечивают получению бо-
лее однородного чугуна. С этой точки зрения представляют счпг
интерес специальные литейные сплавы, например:
с, ч/о
Мп, % Щ % S, % Сг, %
t ,0—8,0 7—10
0,2—0.3 До 0,(15 До 0,12 С2—
Ферромолибден (>55% Мо) и феррованадий (>35% V)
также следует выбирать с более высоким содержанием углеро-
да. Правда, при этом увеличивается содержание кремния, фос-
фора и серы, но это не может иметь значения при производства
чугунных отливбк, тем более, что ферросплавы даются всегда
в очень ограниченном количестве.
Присадка молибдена может быть произведена также в виде
молибдата кальция следующего состава:
МчОг.7„ СаО.%, ЫОгЛ, 7,%% АН ж-% Р&Д S.%,
(in-(13 IS—23 5— Ш 3-4 U.S— 25 0,03 п.П.З— о.Ж
Однако восстановление молибдена требует времени и высокой
температуры. Поэтом}' употребление молибдата кальция в виде
порошка нли, лучше, в виде брикетов ограничивается плавкой
в электропечи или в отражательной печи. При плавке в вагран-
С.ыы!'.? ютериалщ', применяемые при плавке, ,ч шихтовка ангина 5$Ю
не к; 1;; Att'i ten ио мо.:|ибшгг<т хилым ? я затруднено и то всяком СЛУ-
ЧИМ :(' МОЖСТ МЫТЬ <'ГСШеС'ИКИЧИ) [IVT'CM тфНСЗДМ! I' КиГ-Ш. Hll-
>r<>ilTy СЮ-"1 l>t I Те РИГ.'I p. jCl'p/nn41 Ш’ Il шкнттве Присадки HMCi.’T фер-
piiMi).e:н'деп. Kt। r<, несмотря n;i [Шиюкую температуру н.тшате-
THi'it ((>;)() 1»), vjи11’„[стi’• t)[)titcjtt>ii<) растворяется н nviytn' при
тс.т;пср;тгуре РФ'Ю’. Tax хак угар молибдена невелик (5-10%),
То присгкска сплава может быть оделаиа как в шихту, так и
в ковш. Наоборот. ванадии очень легко окисляется, поэтому при-
садка феррованадия производится исключительно в ковш. При
этом растворение сплава в чугуне идет с трудом, несмотря на
его сравнительно невысокую температуру плавления (1250—
140СР).
Значительно легче растворяется ферротитан (>18% Ti).
При плавке в вагранке во избежание большого угара он дается
в ковш или на жолоб. Однако более целесообразно применение
более дешевых титанистых чугунов, а также ферросидикоалюмо-
титанов, т. е. сплавов титана с кремнием и алюминием, отлича-
ющихся низкой температурой плавления ( ~ 1200''):
'2D—21
АО %
3,5—7,0
Де 1
Все эти силаны .чаются в ковш в рзтштигишшш виде, причем
лс'гкоокисляклцие еплшш; (l-'eV, Ге'П) но рекомендуется подо-
грсашть перед присадкой.
Присадка алюминия, ни коля ц меди чаше весте производится
и 'шетом виде г ковш или на жолоб в количестве до 1,5—2,0%.
Присадка никеля производится как в ковш, так и непосредствен-
но в печь в вили металлического никеля (температура плавле-
ния ~ 145(1°) или легкоплавкого сплава (температура плавле-
ний 1260ф,
б. %, Si. % % Сг, % Си, %
Ni — Si сп.зав ...... >1 <5,0 92,П — —
Ni — Си сп.тав............ 1,3 1.3 58,0 ДО 24,5
Последний сплав весьма удобен для применения при произ-
водстве соответствующего по составу аустенитного Ni — Сн — Ст
чугуна,
в) Чугунный и стальной лом. Применение ломи Ш’Н
плавко чучуна имеет большое значение. Оно по. только умень-
шает себестоимость литья, но ташке повышает свойства полу-
чаемых отливок. Снабжение наших штейпых. чугунным и сталь-
ным ломом осуществляется в соогиетствнп с ГОСТ 27S7—44.
бы 1
П[ш зтс,Л| jiiyij.pT предусматргш.-iст сл<|ул>;цис группы вто-
ричных чV-!.(!| 1 ,|х металлов для вагрииик и лругих плавильных
ж'Чсй (к|бл. 63).
Ct;i.-|;,ii<);"[ лом. пгх’таI:.'iяeмЫй лиги!пым, мж,<<; jrv.cTn раз-
личны ('глПЯВ I! 3 Ш.1 Ч 1ГП’Л ЬШ) KJ ЫГ’баТЫ’И Hit СДЪ’П.:.:;;:;’(|О УГЛС-
ро.'Ы.
Хотя, согласно требета [ rii я м стзндар'1 а, простор лом не
должен содержать лепгруюшпх элементов н с этой целью
должен1 быть тщательно отсортирован (при помощи Стплощсопа
пли другого прибора), все же следует иметь в виду возмож-
ность загрязнения шихты остаточным хромом, никелем и дрт-
гими элементами. Поэтому в тех случаях, когда содержание
этих элементов в чугуне недопустимо, например при производ-
стве ковкого чугуна, необходима особо тщательная сортировка
или применение лома только известного происхождения, иначе
попадание хрома в ковкий чугун может привести к неисправи-
мому браку,
Ирл производстве легированного чугуна возможно некоторое
псцользопагше легнровашкдо стального лома, что даст эхоно-
пии.1 г, расколе <|>и р роси ,ч a bop. Однако п р я м с не и ii е этого лома
требует большой iкмо-рож।нхи11 и точного знания его анализа.
Чугунный лом. как видно ин табл. ранбизжпч'я на ряд.
'групп в занIic(।oi'Ti 1 о- oi.ттагм. Клльжшня состав.1; чугуна
внутри каждой гущины могут быть значатемны, одгыпщ прв
шихтовке проходится шдтьзоватъся средним анализом, /[ля от-
Табл и л. а 63
Классификация лома для вагранок и других плавильных печен
Группа Типовая нсшеьхлагура изделии и <1Тхсдсвт входящих: к данную группу . Примерный xnMJf- MdCKHti состау
Г! ел с тированный сталь- ной лом баяда'.ки, оси. рельсы, якт>рп, цепи, Снохи, нжнвы, крин.'п. ба.ТлН, швел- леры, уголки, колснчаты.1 валы, |1(,] Ц и ,1. ц .Illi (Ю.ЧЖН KpVf- л<>1|. l.n.'HlpaiHOli, (Г: ..:H>. OllOli г! лис- T,>Fioit ci.'i.'iil г i 'г. 0,1—(J,8U/O C, до 0,4'Ъ Sj , 0ra-0,7u „ ,Щ Де 0 ,(|Щ r, Щ до (\0'м(, S
Лом и ыл'ЫЫ ш’Г'ирп- ванноч егалч Раиного p-i.'ui .'к'' up;члггная сталь --
i’jкад/ ад^ад /' wwwm ^ада о(М
Г1 р О Л О Л /К 1‘ п и I- г •( Р' „-(1 ьз
Ч’нн'-рс:! 1р 1Лй к K-'ai > [1'1 н'!л1.'-'|IUI и ОТХ*'ДЫГ. I 1 11:ь"о';-i 1 i:*ih
С X.: I,f.: П ;нХ П JUh-J •' и I гру Ину I г ( *“ " ° 1 Нт1'
ЛОМ И ОТХГ;;[^( венного чу|\ калсс г KJ Kopnvci.l ГИНрНДОИ и мни. цилиндры, автомобильные детали [лигкн сцеп- ления, блоки, крышки б.т.жов, тор- мозные барабёны н т. д.), деьдли гусеничных трак io рог., жыыррнк- циониыс детели (втулке, шестерни, ползуны II т. д.) 2,8-3,7'.-, С 1,5-2.2% S. U 6 — 1 ,<1Ч.,, (),1-0,3»/п В (),04— 0,15% .-
Лом it отходы чугуна с повышенным и высо- ким со дер,капнем фос- фора Художественное и орнаментное литье, печное и посудное литье, отопите л г.- иые н бытовые приборы: сельгко- xoButicTacHUOc литье, строительное литье и т. д. Зн2—З,7о.'о С, 2 ,и—3,0 -' [, S i. 0,5—0,7Jfl 51;; 0,5—!.()%, [>, 0,05—0,15% S
Лом и отходы чугуна обыкновенного каче- ства Нее от.чшплг пл ci'poi'o п <>тбгленно- ю цггуиа. креме перечисленных p,p_;j,5Jfl {% 1 A- 2k| , Oer-O/i-„ ,4;. 0,2—0.5'1.,, (', о, (3-0.S
Лом и отходы чу тупа 1^03 :<0Е'О Вее автомобильные. се.'и.скохозши т- венныс. строительные и лругие де- тали из ковкого чугуна O.'l—2,5'>\, C, U,6~-], ।j-'.'n Si, U,4~-0]6t(, Mn де, 0,2J <, , (},(.5—(),'15% S
Лом валков Валки прокатных станов различных спецификаций 2,8-3.5%, C, 0,5—0,8% Si, 0.5-0,7% (Чп no 0, i% H, 0,05—0, ;0% S
Лом колес с инм ободом огбеген- Колеса с отбеленным ободом (см. стр. 487.)
Лом НЗЛОЖННН, Изложницы для стальных слитков и д.гя штыкового чхгуна 3,2-3,6% C, 1,5—2.1'4., 0,5—()%% 31П до 0,2"ih i‘. 0,08- -d, i 2 ’ ,,S
Лом п <; х'->,(iа |( 1IC м itih’4 < i| > ( fJl-lCoKU- чу сука Труб;.:, ф,ТС<>1г"К| ' ",1ГТ|1 И ПреНПШ о г j 11 и а п Hi '' ррш.'ллида п ;in;-[i- х л<j] i а (j,: ।1,5 ’ и < - ](. t p % , ,l'.l l,tl% Mu
602
Плавка. w/zeaa
BCTi.Ti'ClПinГе; .-ri-I I’l.Jr СЛСДУТ УПОТреблЯТ,.. <:,;i|Cjpo/UiblJI Jiov, ГП0Д-
и.,од:го.|(!.!|--; г।;:рнделяя его состав.
Bo oi'e.v случаях лом доджей листа в. j я п,;’я е разделанном
оид<‘ i; i'lirioiiHliii. (K'l'JO’Ш1 !<о;О возможное,,, .еи'ОргНШЯ П.ш
lipil НОСТГ’.ИКО ЛОМ;] для Вагриног; ОН должен быть V.TO-
бен для загрушч[. Соглаеш) стандарту, размер^ кусков' по
.[годны нродосходить 250 X 200 ,д' 100 мм при тч.мнзне не
менее 8--I0 агл! и веер до 35 кг. Размерь] кусков зависят от
размеров вагранки и во избежание зависания не должны пре-
восходить по длине и диаметра печи. При этом дом
нс должен быть проржавленным, горелым или разъеденным
кислотами, иначе чугун будет насыщен газами и включениями.
Поверхность кусков лома следует очистить от неметаллических
загрязнений, количество которых не должно превышать 2%
по весу металла. Следует иметь в виду, что загрязненный
включениями или окисленный лом ухудшает качество чугуна
и повышает угар при плавке:
У;лр, % .
Доменный Автомобильный Радиаторы
чугун лом
2—2,5 3,0—4,0 5—7
Горелый лом
До 30 п более
г) С лист в е !i iiiii с отходы и р о п и в о д с 'г в ;t. I' каче-
cine г<>бс гнпшых отходов пр<шзипдетвл ириме|,Я1отег,] литники,
брак, слинпны, вси.таскп п т. д. Необходимо стремиться к пол-
ному iio]юлjj.'.itн.шI[ню тоню материал;! при плавке, так как это
v'jp[| мц а рт раскол привозных материалов (’lyin-
кового чугуна и лома) и удешевляет литье. Немаловаж-
ным [(ре|;му 1 ri.ecTiioM при этом является также то обстоятель-
ство, что отходы собственного производства представляют собой
весьма однородный и известный по составу материал.
д) Стружка. На всех машиностроительных заводах при
механической обработке получается значительное количество
чугунной и стальной стружки. Использование ее’ производится
чаше всего путем переплавки в доменных печах, что связано
с загрузкой транспорта и большим расходом топлива. Поэтому
кнедомениая утилизация стружки непосредственно на заводах
имеет большое народнохозяйственное значение.
Способам пепод53оваш|я струж’кп для п-одт в к и чугуна посвя-
много работ советских ученых. Эти работы показали, что
иеГю.'шшая присадка стружг.н в шн.хум в размере
может быть произведена навалом is иебрпкетнров,типом вы.п.о
без большого угара и окисления м('тз.ч.!Ш. Опыт работы заводов
1 При чгчо.тыжмщпи стружки цееГхпдвчо чреды,рп гмыюе <.и;ододгы
млела, кол иrcr'i'tKi которого составляет ежг'до 1% от веса металла.
Сырые материалы, применяемые при плаже, и шихтовка чргрна 603
Т а С л н ц а 64
Срашпнельный yi;i|i при плавке брикеюз, наготовленных разными способами
Высокое давление....................
Низкое давление................. .
Цементация брикетов жидким стеклом
плотностью 36—45° ло Боме п даль-
нейшее прессование вручную с про-
сушкой при 186—200° в течение
2—3 нас.............................
Цементация брикетов цементом:
4 части стружки, 1 часть цемента,
2 части воды ...................!
Цементация бр шесто в смесью: 4% гл и- j
вы, 8% мела, Ц/о NaCI, 1% древес-
ного угля, iOi;o воды.............,
—42 . —й “3 -J-85 -у 225 8 12
- 29 -67 —75 ->-190 И
—32 —S2 —87 4-22Г) 12
-33 -63 — 62 — 38(| 55
показывает. что плавка в этих условиях проходит нормально.
При этом стружка, кик и при других способах ее использования,
Д( iji ж в и бъпь раздроблд'иа либо в процессе реп и i (в я, либо па
специальных стр уж код роб ил ках. Это уменьшает обьсм стружки
в К) -30 раз,
С целью уменьшения угара ц окисления металла при плавке
стружки предлагалась загрузка ее в специальных деревянных
или чугунных ящиках, которые предохраняют легко окисляю-
щуюся стружку от соприкосновения с печными пазами до мо-
мента плавления, а также создание более восстановительной
атмосферы в вагранке '. Более ударными являются методы п а-
кетн рова н ия и брикетирован и я. В первом случае
стружка упаковывается в коробки из листового или кровельного
железа. Во втором случае она брикетируется под давленном или
с помощью связующих (при нормальной пли повышенной темпе-
ратуре) и не требует, таким образом, упаковочного материала.
Однако все эти способы обходятся пока еще очень дорого.
Согласно исследованиям Л, И. Серебриера, иаилучшгш спо-
собом является брикетирование под большим давлением,
пбеспечиваюш.ее минимальной угар при плавке (табл. 64).
I При ц-шикс ti печах с iiHiTnanTiinni атгкюфеpoii. иапцимеп ц i-'si.i;тгтп-
ЧеСКИю 11ПГ< >’|^'л'.>В(н1Т||.’! Цеб1)ПКС’Й| PfliJfl И [1г ц'| ClpV/ККИ ПС ри:Ъ|[Е\тОГ Л!'1 pV-'Elh'”
яиц. причем Детпеиязна шихты иногда делает эту планку бп,нт Ш'кт.т
бсл ьл э Г'. '(Ют в Ж1 гранке. В частности, та кия путем ц элекг|ЮтШ'|ах так жс\
как и и (ш гранке. можно вцплаилять синтетический чугун ты ста.чьцой
стружке путей соответствующего иауглероживаппя шихты.
Плавка чугуна
O'rL.i'Miu.iii li/t- mix о p i i tee to l; tjkxl' по.': v । t;i <.гст; o'.i. ii.-ne I'C’.ir1). чет
У i;t^Lciny;i;ii|;h,ix (2,2—2.S
Эл or cip.ii i.:> T| <2 । io..'i у ч н.:т 61 <[ bi in пт p;i:i.iii i jin, ,i ji;, (ищ- n радон а -
uriCl II1 ’ TГ 11;11[им Ilf’ H'lUCiCui ИЮ 11111 i.'l V’ 1111II л СПЯ IV i. >:, I! I. 11;(ti рИЖ'Р. Д-'Ы
ityMctiTM в брикетах И. 'I*. (ill 111 ie [) ГК'КГ! Л1X TI;; VI [ itk'ci, ИЗ 16
18% ii'.T.iTiiiiKit и ti.iwm;i c iivccoitiiijiiii'M n,t iI>piikt1hoiiiiom
П|1Я'\'1' II Т|чС-'|еДу1(>11ПГМ 11 111 'I c /li II 11. 11111 CM l.l TTieille ,, .'llifii. ii;l|| -Гя’,1 lOUCCT-
T:i< o.i iiGij|)4MCiTiir:> c.-i у a irr it <-[i..'t io<; ci m. При отсуте run ti u, - i-.nra 15, И. I le-
'ooiKiui it С. E. E;ipt; |tiсм'.мет:дуют смесн ц.э 12°А, глины и 6% ic.-ir-ccii cttpec-
roiiTiine.jr под ДТ1.tcciicv 20(1 ат и с исследующим i.Tiiiitiwi с; :учт.тпmix
i:p,t ддп.яе;111И перл в 8 ат в тещн-тлс 1(1 —12 рис.
Во всех случаях умеренного применения стружки, как ших-
тового .материала (в брикетированном или небрикетированпбм
виде), улучшаются свойства чугуна.
Вследствие повышенного угара углерода чугунная стружка
заменяет стальной ло.м в шихте и может служить для получе-
ния малоуглеродистого чугуна. Так, например, один п тот же
состав металла (3,0—3,1 % С, 1,3—1,5% Si, 0,7—0,9% Мп,
0,2—0,3% Р, 0,12—0,14% S) может быть получен, согласно
Л. М. Мариениаху, прп следующих двух вариантах шихты:
ГчС; r.Tpy n.Ktt
Go с.ip'fjhKiili
'Ш}4 %
ю
it)
3i' [ле s;i i ! ibi ii
чусун. %
Чугунный
лом, %
-Ю
I'J
СтЯ-lhllOH
Стружка
чугунная, %
b
2. топливо
В качегтпе топлива для печей при плавко чугуна применяют
штмешюугольиый и торф я no ii кокс, антрацит, древесный ц ка-
менный уголь, сырой торф, пефть, газообразное топливо и т. л.
Преимущественным топливом для вагранок является каменно-
угольный кокс [[ антрацит. Отражательные печи работают на
любом виде топлива.
а) Каменноугольный кокс. Кокс представляет собой
прочный и в некоторой мере пористый продукт коксования
с низким содержанием летучих. Вследствие, этого кокс не
вспучивается при горении в слое и является первоклассным
топливом для шахтных печей. Однако дороговизна п дефицит-
ность кокса заставляют применять п другие виды топлива,
Кокс для вагранок, или так называемый Д и т е и н ы й ко к с.
< । гл и 11 е; г от домешвию (м I'ftiarry р п i1 tec к<л о I кокса и характс[ш-
зус н'я (боги а и и ц плотностью и ммоп решшшмгцоп способиос it.ih.
что дю штцтся cooTtiereiT, у ю I ни At подбором кщхты и режим;1
К< жеош 1111: 'а. Согласно nceoe.'lni.'.iiiiiHM И, II, Чижсвгжоп.г. луч1га<'
Сорт;; .T! Г"Г|Ш>Ю KfiKC.-i ПО.ЧХ'ШЮТ'.Ш |([Ш КОКСОВаНИИ TfHlHiX ХГ. н й
при сршш!Г1 ельпо невысокой температуре (90(1-950;), по г, п]ю-
д<)Л/пе|И’Г’ длнгелкпого периода !33—36 час).
Сырые материалы, применяемые при плавке, и шахторка чугуна 605
т a G ,Ч ц. 65
К. !;и.'сифйк;|ЦИ11 ли генного, кокса
J 1 ЛЛ,1 11-.UJ E/.'l ] i rutin И н yaiкцкц i'sF KJT-n (M<31’ll)1 rnrop- ckfjh и Н.-Г;)' ril.1KKH[“lJ [<jl III
С оде р ж мин: плагп. % Содержание вотi. °,,- -ч <4 л.) <4.0 4, о
средне- 11,3 13.0 13. и
it'п? ас л иное 13,0 15,0 1.5,0
Содержание серн, % 1,2
среднее i'. 5 0,3
предельное 0,6 1,0 1 >4
Выход летучих, % Остаток кокса п барабане, кг: <3,5 I . D <1,э
средн л fi ........... >200 >200 >300
11 р co e л ыт t.ii'i >275 >2.0 >2S0
Размер кусков, мм >40 .>40 >4u
Содержание мелочи, % ...... <4,0 <4.0 <4,0
Кериые введенный и временно денсгвукинин сейчас ГОСТ
33'10 — -16 предусматривает пока 'Г(>и сорта ..'игпм'пп.п.'С) кокса, свой-
ства которых представлены в табл. 6“>.
При эгом влажшклт, кокса' не служит браковочным призна-
ком и является но существу безвредным балластом, так как
удаляется в верхней зоне вагранки за счет понижения темпе-
ратуры отходящих газов. Поэтому обусловленный показатель
влажности служит только основанием для расчетов между
поставщиком и потребителем. Зольность кокса является вред-
ным балластом, так как не только уменьшает содержание угле-
рода в топливе, но требует сше и некоторого расхода тепла па
шлакование золы, расплавление и перегрев шлака. Поэтому
с повышением зольности понижается жаропроизводитсльная
способность кокса. Последняя зависит, главным образом, от теп-
лотворной способности, которая для кокса колеблется в преде-
лах 6700—7300 Kcci/кг и понижается с увеличением содержания
юлы. Поэтому в стандарте обусловлены средняя и предельная
ледниость топлива.
При получении м пл оутлс род истого чугуна повышенное сл-
ШрЖЩШс золы в коксе ЯНЛЯСТСЯ ДОЖС ГЮЛСЗНЫМ, ПрГГ ТО-'М
нзыч'тпуio роль играет также состав юлы. в частности ее осшш-
hol'ib. с ib.HH! оепнем когорчй i tа у г. 'I с р; > ж 111 i.i i is I с сталн в на- рав-
I (З 1,1,.' |' >l'I i I It M.'X П Tt I (r( ОС |;O|"| ( | T1Г С । И ГI О ) I'.'l/ITT 5H5J(!|CI\',I I-.tv 1 i : i i i i !:-1" ч i;|-
ирсит c.t ti 1 iл и способа храпения к> кеш. Количество аге гпгр.ч'кгяшче-
сков ii'.iBK -I’ iKi-r от способа ту11(ст11:-i кекса (мокрого или t-y<.с.
Плавка чугуна
ке умсныхя.'Тся. Дола донецкого
цепкого кокса (К), ио данным
следуна!и।ii примерным состав:
(Л.) н кемеровского или куз-
М. А. 1 кнщовл и др., имеет
X ЦМИ'КТЬ'НП <'11С|,Г1Ц, %
Sa к А12Оз »жгО, Са<) М11ПО; Мц<-) 1'д.у. 5 Сп
Г’..),-;-» 20—27 20—32 3->2 1—2 1 -!,5 0,3-ЩГ) 2, а—3,5
К... о()—55 2(1—30 8—13 4—5 0,1ё—0,35 1,0—(.1,7-0,к 1.!' - 2,0
^ола кемеровского кокса характеризуется меньшей основ-
ностью и, что очень важно, мсиыпц.м содержанием серы. Этот
кокс может применяться во всех случаях, когда нужно поду-
чить чугун с. низким содержанием серы, В донецком коксе
содержание серы иногда превосходит нормы стандарта и до-
стигает 2% и выше. Такой кокс легко узнать по большому ко-
личеству ржавых пятен (FeS) на поверхности.
Содержание летучих в коксе нс должно превышать 1,5%..
Смысл -лого тюказатсля заключается, главным образом, в оцен-
ке качества и полноты выжига кокса. Од, га ко его ставят также
в прямую связь с температурой воспламспешгя и реакикоиной
г ио со б цостг, го топлива. Между тем эти свойства являются функ-
цией не толыю сидержишиг легучпх, но п состояния утл с род я
и сто соединении, наличия (ни yv-ов в шжте и т. д. I китолу бы
,'ю бы целесообразнее, вткк’пслстш’Пиш' определение ты г х
свойств, что. к сожалению, не пр о изводи тс я из-за отсутствия
разработанной методики испытании.
Для йценкв реакционной способности е послелнее преяя получил пеи-
мененис ь сии И С ,\Аатют:теико, по которому определяется колкчесгво
сжигаемого и в,те топлива па ко.юешжсыой решетке при постоянней ре-
жиме дутья (800 мН^-час). Реакционная способность кокса по этому методу
состайляе? J0—55 кг/ЖСчас. Суш.естг>ует и ряд других способов определения
горючести И реакционной способности кокса, Однако все они не в подпой
пере характеризуют поп едение топлива в вагранке при высоких темпера-
турах.
П качестве грубой оценки можно воспользоваться следую-
щей классификацией топлива по реакционной способности,
предложен поп Л. М, .Марпепбахом:
Ma.'iju Средняя Больше
Г ['.I к 1.ц 1 (.шпая способнее (ь
д' - U/7-7~ ЮО, % 10—2,5 25- ДО 50—КЫ
Л;:т<'|й[1чй кокс должен вмети минимальную реакционную
CHocoonoOTi, (А ''' 15-25% )- Косвенным показателем ttoi о
евойепш может служить в некоторой степени пористость кокса-
Сырые материалы.; применяемые при плавке, и шихтовка чугуна
представляющая отношение объема пор в коксе ('/,) ко всему
наружному объему il-'ij1:
II тип п-г ,, К ПАУ Kill it С Я уделыплг А-.ч-
I Чфнстпсть !(’(). г’;/ _- 1!,1) — :------------—— ------
1ц ' " деiicгвиц лt.иыft удельнии nc!'
Хорош ini л итог! (пи ii кокс должен иметь пористость не впит:
40-—15%. I ш<гтм «с показателем может служить и температур;;
воепла.мепонкя кокса, которая колеблется в проделал 550—700'.
Чем больше плотность кокса, тем меньше его активность и ниже
содержание летучих, тем выше температура воспламенения.
Большое значение при оценке литейного кокса имеет его
прочность, которая, согласно действующему стандарту, опреде-
ляется барабанной пробой (табл. 65). Этот способ был впервые
предложен в России еще в 90-х годах прошлого столетия инж.
А. Супдгрсиом.
В барабан Сундгреид длиной 0.8 м и диаметром 1,5 м, между дисками
которого находятся стержни гм круглого или углового железа ira рпсщоя-
25 ow, затру лается 4 К) др кокер. После врашеиая барлбшга го еко-
ростыо 13 об/мин в течение 11) мни. остаток в бзщ.Сане должен сссганлягь
lie' МСНее1 21'0—31)6 №.
Кроме уыт|111тоГ( Методики, еуивтшует рнд Других. Н.шрнмер иод
скндекеом Со р; | с | .и: а I] 1тЯ « 11 <'1111 м; i ЮТ унепи-рсяцо';: othOhm-i i не оСтфка
конга u;i euro (25 X 25 ь- С|() г।l1;)iмг11г;1;liarпiii>mv i.hav (25 кз') Tioca.-
'-кратного с Врае к: в :n tit и на 11 уi' у н i i c r i плиту c пиадн 2 _н. Итог индекс
С'Н-гио.ааг',' iЮ।„ 11нj 7;i—
Но другому fflt»'Xv онредошно/ co it t ют a icic t111 о nr ин, ищю нбраана
копсд сеней нем 1 с.и! грш нн к и11боi>v11a.r।кто круга ноя 11 ;ir'11vзкгш I №
i1 te'iei'i'e 1 Mtn-1, при Шо ои/мни. Иэи-ря в eece не должна nncoocxслить
при этом 1% дня хорошего лнтеиного кокса. Кроче того. пиредАшпог так-
же сорротип.асине кокса раз.тавлиганию, которое должно быть )ii? ниже
80 ке/с.Щ и находится обычно я пределах 100—150 кЩ .Щ.
Однако асе эти испытания не в полной мере определяют истипиос- по-
ведение кокса в вагранке, тем более, что они производятся при нормаль-
ной температуре в противоположность тому, что имеет место в условиях
плавки чугуна. Поэтому указанные способы не являются исчерпывающими,
ьнешнид вид кокса также дает, хотя и грубое, по во многих
случаях достаточное представление о его качестве. Практика
показала, что видимая плотность, звонкость при падении и се-
ребристый или светлосерый цвет являются признаками высокого
’ Определение пористости производится кипячением кокса в воде для
г, .'Iпленил газов из пор с иое.Т-'Дующим рззепкггтние.ч куска кокса на
(К'здухе я в воде:
11 гцч[< гос гт,, % 1 'ОН.
’*И {}н
где Ci --ьсе еухиго коксит ти шндухе;
(? u - HOKCfl n;i гюздухе;
Gn - tv.t i< । > r.c a. ts (юдс.
Кяжушишм улелгньги иес кт/кса иисгактяет 0г9—1,3 ri/ozJ, :;1-1м,г;-.з(тедыгЬ|;У
же удельный ьсс 1,75--2,0
608
Плавка чугуна
качества кикса. Пр г г этом большое значение имеет кусковатость
кокса, Koo.ipaa по требованием ГОСТ пе быть ниже
40 льк. O.ui'ai^u панлучшпй кокс для шнржш;-. средних дкамет-
размеры и пределах 80—120 этг Рдшшгш кусков
Нокса ([ ах равномерность имеют большое анаж'шк' для про-
as аса a.iai'Kir в вагранке. Поэтому нрьлодп)тя иногда брикети-
и'ша д, коксовую мелочь1 * дли тюлучшшя кускоц tiчикни >кела-
[c..:ii,!ibjx размеров. Объемный вес кокса обычно составляет
41.Ю—500 /егбм3.
В некоторых случаях приходится нодэзоплтт.ея о.' /щ. тонным к тисом,
а доменным иди газоньтм, имеющим более высокую реакционную сцособ-
иость, мсккадно прочности, а иногда и более высокое, содержание сери.
Несмотря на возникающие затруднения, плавка на этом коксе ~>се Же
по зад ж Ft а,
б) Синтетически й ко дс. Отличный от обычного по
своим свойствам каменноугольный, кокс был получен в СССР
по способу В. С, Познанскоп путем коксования лсспекаюшихся
углей с добавкой около 20 % битумов, пека или смол в шихту
(способ этот удостоен Сталинской премии). При .этом получает-
ся высококачественный литейный кокс с низкой реакционной
способностью:
У[\'1Г й«*ту- O[>;i. И [bnij. % .in.ia % ГГориг- Е’гох Остаиь н Тсплотвор-
|>,'ДI К 'lufc, % Ti»C!h, % ИЦП1ПКВ1 (iapigflaiic Н£Ы ггггк’об-
rmjCHt? п\' погть
НпьГТ' A\t.j/тс/
92—95 I-Д 0,8—],0 дмЗ.О 3,5—1,0 25-35 2O--25 300-360
Плавка на этом коксе обеспечивает получение высокой тем-
пературы в вагранке, что приводит к большему науглерожива-
нию чугуна. Плавки, проведенные в литейных Харькова и
Ленинграда, дали возможность охарактеризовать этот кокс, как
ценное топливо для вагранок
в) Прочие виды кокса. В качестве топлива Для вагранок приме-
няются иногда продукты коксования или cvxoii перегонки других рядов
топлива—'торфа и дерева. Получающиеся при этом торфяной кокс и дре-
весный уголь отлинлются очень низким содержанием серы и сравнительно
высокой теплотворной способностью, но по увенм физическим с.зоцг.ттым не
могут конкурировать с каменноугольным коксом вследствие высокой по-
ристости и большей активности:
'I", КОКС
Др; I. । , И : .111
у г .1;— .'ic-:.--
r.i.l Mill- p.rrir :i ЭТт! i'l
Si), -no 5—12 2 4-9 0. ]5 0,3
T'.'ii.itn FScif.'Fi an
( Hl'COuHiXTh
AVn?
[=.700—7200
I [При-
ст сеть
А/
• и
10- 6i>
. <7- '-8 'I -'..о !—<>
! 0.1)5 в.2 6500—7;;оо ~Гг 85
1 В кa-i'.'crii,‘ cuHavioint’n, можно ..'ii'ieriT. гдппу и Некоторое количество
11.чI'.।т-г11. I 1рн iruoroii.'ii'Hiiii 011 пк.:'>!: 'точно Г!С1 (Ользовлты cisHiiyioui ее П КС
чгспio фоюси ч 11'г;У111гп> таким обрило:,; «симофлюсующцjjсj..ч воке, не шс
бу[бнщц добавки флюса.
Сырые материалы, применяемые при плавне, и шихтовка чцгцна СШ9
Г оакп.яонная способ:ксп, тшмрясото EtnitCii u древесного составляет
ко.то Ы.'—Д.чя ।: irio | >o it ) уме nt, .'.нет ня активности 'i niitbiitiiirxi кокса
II. L Козин и Л. .]. Др.;--.r|и,-, и pi'.i.TDii.ioiи иptiiiiiTbiBiiTH его l|-Ч!' ::т
l.iioiiyTH.i этих i,h.ii,|.. т! ।; i ,.i 11 ; r! и । 11.; 111 n т it CT'.‘it c I HI МИНК'ЯГ с-т не-.'i,';i i их
iTiipihix m.i i\ ;>11;i i<>г. if |ic.Kit'.t,'. xiiJiiiKi.-TrpMii’icvKort о()р;нyrncii. i Iипpим 1.4J,
-i.-i и KHiieoiiii и ti’ri т< и, i p: i p i k< imp I у' у । туя titi..i i >:< r > 111 rn if Я то-i l>K< i са.1!' > a i..i ,n ы ,,| it
uepx;>ni.nri <:Jt< । j:'.i11. cpu. i iriiii и хощщц'й стещщн разложен ИИ. Ha ।i-'t v'11и 11 й
SIC Д I) e IK’CT 11 >111 VI:T. I-. lnloT ,-|;n'i l.flllli.li'l |Ь1Щ.г.;|,|. u pt'dGeFillOCTU 6vi<. j'tvTj. 6c-
П досгп’то'ню высокой температуре
торфяного кокса и древесного угля
pi:33. при куч l|l 1'4 ClllA'OGc IHjI >i< 11 г i.l
(около Сн)!.;':)
Со11остпв..|1>цпе физических свойств
дает следующие результаты:
Действи- тельный удельный весф г/сл3 Кв Ксущийея удельный вес, г»/с*1
Торфяной кокс 1 65 0,65—0 8
Березоный уголь 1.46
Сосновмй угодь 1.40 0 27
Еловый уголь 1,38 0 2]
Обье mi । hi й ЛЪС, гсг.ЛГ (>) i tpr/i-M вл г нле по пэправ- дению во- локон раздавл и* ;<л2 поперек ВСЛОлОН
60 100
170-200 2j0 - 270 20- 23
J1 о— г 50 яи—J00 12—15
100—120 70—80 1U—12
Однако даже лучшие сорта этих топлив нельзя считать полноценными
для плавки в вагранке, поэтому использование их мало распространено.
г) А игр а ц [Гт п термоантрацит, Использование ант-
рацита в литейной примы11глегпюсти имеет большое народно-
хозяйственное значение, так как запасы этого топл(ib;i и СССР
огромны п превосходят запасы коксующихся углгш, Пионером
области ггенользовання антрацита для плавки является
М. Л. Павлов.
Антрацит, как топливо для гзагрщтеж, имеет ряд преиму-
ществ: большую плотность, высокую теплотворную способность,
малую зольность и почти вдвое меньшую стоимость, чем кокс.
Недостатком антрацита является вязкая термостойкость, вслед-
ствие чего он часто рассыпается в вагранке на мелкие куски
я может нарушить нормальный процесс плавки. Это объясняет-
ся большими напряжениями, образующимися вследствие выде-
ления летучих в плотногг массе антрацита, а также объемными
изменениями, протекающими при быстром нагреве. Поэтому
в качестве топлива для вагранок пригодны только некоторые
наиболее термостойкие сорта, так называемые литейные антра-
циты, менее плотные п с мент-лгытч количеством летучих. Свой-
ства пх обусловлены ГОСТ ]8—40 и 1785—42.
Антрацит характеризуется большим постоянством состава,
1|О. несмотря ни это, значительно рцшячастея по прочностч
и термостойкости, что находится и сшиш со строением топлпг-а
11 с;т।ше!।м>’ от его кусшшатос ей. [\'нггеш.нраф!1чес1<пс исследо-
iiniilil ! И11<I' Н JI ’И 1< >Т, ЧТо г'ИП'рШНГГ С ШЧС()К<>й ПрСШШгОТ. и чер-
мвческой стойкостью имеет тонкую структуру с мелкими серни-
стыми микрослоями. Микрограф и‘iccKii этот сорт топлива
характеризуется плотным строением и зернистым изломом.
30 Зак. 80S
Планка чугуна
Наоборот, слабый антрацит, мало пригодный для плавки в ва-
гранке, показывает, на рентгенограмме однородное сложение
I' мелко рассеяной микроны л ню минеральных примесей и в из-
ломе имеет раковистое строение.
Однако ни но излому, ггн рентгенографическим исследова-
ниям нельзя точно оценить свойства антрацита. Лучшими спо-
собами испытания являются производственное опробование
в вагранке или рекомендуемая стандартом огневая проба. По-
следняя заключается в том, что куски антрацита нагреваются
в горне до светлокрасного цвета ( 9003) и сбрасываются па
металлическую плиту с высоты 600 мм. При этом термически
стойкий антрацит не меняет своей гладкой поверхности п
должен распасться не более, чем на 2—3 куска. Эти испытания
выдерживает ряд донецких и уральских антрацитов .
Технический анализ и физические свойства литейных антра-
цитов характеризуются следующими данными:
Угле* Лету- Пори* Теплоткорвая Рокцрон- Остаток Объемный
род чне Влага Зпда Сера с-гоегь сиособнгк-ть нал способ-па бя[.аба* гее
% % % % % % notrb. % не,
85-9J 1,5—5 2—4 3-8 1-3 [—2 6800—7500 20-25 290-320 900-1000
Антрацит отличается высоко!! плотностью и низкой реак-
ционной способ г loCTijo, а параллельно с этим высоко!! тепло-
творной способностью, малой влажностью н низкой зольностью.
При этом зола антрацита в большинстве случаев характери-
зуется большей основностью, чем зола кокса:
SiO.r% А1аОя.% Ре,Оэ.% СаО.% МЙО.% МпО.%
21—50 9—22 17—46 1,5-16 0,5—4.0 0,4—1,0
По этой причине можно было бы применять меньшее ко-
личество основных флюсов при плавке на антраците. Однако
повышенное содержание серы в топливе требует соответствую-
щего увеличения количества шлаков Для обессеривания, вслед-
ствие чего присадка флюсов при плавке на антраците, примерно
такая же, как при плавке на коксе.
Из приведенных данных видно, что содержание серы в ант-
раците колеблется в больших пределах и достигает иногда 3%.
Это является крупным недостатком антрацита, как топлива для
вагранок, хотя форма, 1? которой находится сера в антраците.
столь опасна, как и коксе. Так как и процессе коксования
пиритная сера (FeSj частично теряется, а остальная часть не
исходит в органическую и сульфидиею форму, то состояние се
ры в антраците и коксе, по Л. М. Марпсибаху, представляется
в следующем виде:
। | Иь ги иге г ср ы, %:
органической iiHfT.rii-.ni суЛ!.флдлоЛ cynr-rJifTiiin'
Дегтпициг . 4°—F0 [0 14) -- 3—5
Конг . . . 65—70 25—30 2—">
Сырые материалы, применяемые при плавке, и шихтовка чугуна Ы!
Пиритная сера легче удаляется с газами. В сиязи с этим
степень перехода серы р чугун при плавте на антраците оказы-
вается ниже, чем пци плавке на коксе, Поэтому коэйнщнепт
в формуле (191) erjoTjjcLvтвеппо умсги.ищется с 0,3 до 0.2:
s’-^7-'s.....+ ""7|
где А'М;)|-среднее содержание серы в металлической шихте, В,;
Sa -содержание серы в антраците, %;
А —расход антрацита, %.
Если принять, согласно ГОСТ 3340—46, предельное содер-
жание серы в коксе 1,4%, то для антрацита такой предел дол-
жен быть установлен в • - -= 2,0%.
0.2
Использование более сернистого антрацита может быть про-
ведено уже только частично. Антрацит при небольшом содер-
жании сены и достаточной термостойкости является поекрас-
пым топливом при плавке в вагранке. Однако его свойства мо-
гут быть сше больше повышены соответствующей обработкой.
С этой целью П. Л. Лысенко предложил механическую обработ-
ку 'антрацита в барабане, в результате чего его прочность при
нормальной н высоких температурах повышается.
Значительно большей эффективностью характеризуется тер-
мическая обработка антрацита, предложенная в 1933 г. С. П.
Булгаковым, в результате которой получается новый вид топ-
лива — термоантрацит.
Антрацит подвергается при этом постепенному нагреву до
1150° в продолжение 12—14 час. с последующим охлаждением
в течение 6—8 час. Из антрацита последовательно удаляются
внешняя и конституционная влага, сернистые соединения и
продукты возгонки, в том числе водород, Такая термообработ-
ка сопровождается усадкой и образованием пор в топливе, а
также резким изменением его состава:
щ.%
s.%
Антрацит . < .
Термоантрацит
ЧТО [. 2—1.4
98,11 0.1—0,4
1,0—1,1 0,7—0,9
0,8—1,0 0.1—0,?
1.0— Г. 1
0,6—1,1)
При этом наблюдается увеличение содержания углерода
и уменьшение содержания ГЕ, ЙЕ, Oj j: 8, Однако форма сер-
нистых соединений становится менее благоприятной, так как
органическая сера сильно возрастает (до 90%) за счет иприт-
ной. вследствие чего К1оэфициеггг перехода серы в чугун упелп-
чпва |.’тся.
Г[попиксгетг.о термоантрацита М икиг бог гь опганиэовано и сачоп ли-
тейной в кеkos-лГ[<5о каменной отжит.'!! ельной цени или f вагранке, В ваг-
39*
1
Плавка чцгцна
D-тмгсс! н ъго'4 с.'кчде устраиваются р;струт-14nыо (li;iIa. Она разжигается,
как о0[,[ч;|(), а загружается постепенно антрапп ад щ, new ого заполнения
ШР'чгы. Jlvrtii? подается ^С'Ете.з узкие Футми! ricirrn.oi г:::х;м пли естественной
тгпюй так aior5[,i ри vnoenc жтелны Фурм tv ю и г-1, .т । v, j, не преаппняла
I I Я:!_ 12 у о дрса пглется со< rniei с; нующим perv.-i 11:1011:111 нем по.таии
р l[;itl in, yarn кем пара ;< те । :.'i 1, ипд, обаасг,. n. i г: : 1 , г i0 сиособ-
ci г-ус г также (>6crce[)iii)aiii[io. Литра п нт, сн yew-т со вниз на пых ге, посгс-
111.011,0 на г решается. Достигнув макспмальпеп температуры, пи ц,т| д.п.аытсн-
1ГСУ1 опускании несколько охлпжласгся и после выталкивания еючп га-
сится ВОДОЙ.
Термоантрацит является первоклассным топливом для вагра-
нок, обеспечивающим более высокий перегрев чугуна, чем кокс.
Его технический анализ и основные физические свойства харак-,
теризуются следующими данными:
Угле- Дету-
род чие Влага Зола Сера
% % % % %
95—98 1 1 М0тС-1,2
Реакци-
онная
Пори- способ- Объемный Остаток ТеплоткСфпая
сто ст ь HriCTb нес ив бараба- способность,
% Е7,1 л’ не, йгг
2—5 20—25 8.50—950 ЗЛ—320 6800—7000
Термоантрацит очень близок по своим физическим свойст-
вам к антрациту, по выгодно отличается от него более низким
содержанием серы и летучих п более высокой прочностью при
нормальной и [высоких температурах. Его сопротивление раз-
давлнщншю составляет 3W— 650 щ.'Д'.и2, т. с. выше, чем у любо-
ю другого топлина, н том числе у литейного антрацита (200—
220 кс/см-). В отношении термостойкости термгкштршшт не
уступает коксу н при бросании в горячем состоянии (ООО1’) па
металлическую нднту с высоты 600 мм обычно вовсе но разру-
шается.
Новый вид ваграночного топлива, впервые изобретенного
и примененного а СССР, вполне оправдал себя на практике
и завоевал доверие литейщиков. Поэтому в дальнейшем необ-
ходимо максимально возможное расширение- его производства.
д) Пр о ч и е в шд ы топлива, К прочим видам топлива,
применяемым для плавки чугуна, откосятся: торф, каменный
уголь, нефть и газообразное топливо. Однако нее эти виды
топлива весьма редко применяются при плавке в вагранке.
Наибольший интерес Щ? ед ст а ют пет торгр, исисдплопииию которого Ира
[Главке в вагранке посвящено много работ го и стс tni х уненых (А. К.. Флп-
булоп. Е. Е. Эренбург н др.}. Иду я пр нм и и с и г-я ci.ioporo то pipa заклю-
чайся в его КОКС01ЖШ1И зи вг-емн oiivcKafinii ч шахи? взгранкл (owio
4ij Minl-I ло УРОВНЯ ll.'l л (i 11 - i ’: i < C( I HC-'.ICa.
11 c..i стае 11 c 110.:: 1 1 иi n 1:я ca 1 ыч: iioro ii'.i. 1 \ 1:11 n ’-ryxot'O торфа с ю
iKHiiir:.; n.iaril iti' ;<i.,i!i,' г'',—я ш- Ы,.:ые 10 —12% ;,,4iг t a! i и
по, удается п'Ыу'игг:. и щи pan к c vaon.iccuopii ti'..'t r,i 1 ы ii г п j ><ji s 11 it j й кого, тк
ot<i lin/iii'T иг следующих литсраrypпых лалпих (табл. 66).
1 Сослал :;o.iH торфа колеП-птся и пределах- SiCT.. 2.5- -
.5.0% AI,(.).y, К) --15% ЕеЮ.1. 17--22% СаО. 3—4% МЕО. 2^.3%'ko.. 1- 2%$.
Сырые материалы, применяемые при плавке, и и/ихтовхи нргрна 613
При iron обинно Gcciio.npainj тыыются (без НЭдлежашен vth.-'iituатщu)
продукта сухой iiepcioiiKit, croiHiiotii.ne я верхних частях nai n;:икi(. кроме
тоги, образующийся то(ц||Я1!<>;"| Koxe ciO.'i :i ,1 пет высокой U e а к i; 11 c> i (11 о ;i спо-
собностью i[ дает 11i|3K! :-i конфиHKclIT ci’iIИ>|. ПОЭТОМУ. [tCCMtil pa i;;i ни-
которые JUicto 1111 yr t!: i toJhJci, к и к i(;i r;i;i iitMiiorfi ТчИЛНВа (НИЗКОЙ coftepa. ап не
Таблица би
Киксование торфа в вагранке но мере его опускания в шахте
Расстояние от колошника, .мл Состаи сухого остатку н Теплотворная способность
С ih X. 1 s 1 тетучме зола
Исходный торф 54,5 „ * 1 6 20 । 1,46 0,17 67,0 5,0 5619
1273 59.1 5.46 I I ,31 0,18 63.1 4.3 5902
1623 64,3 1.45 | 1,15 0.&) 14,9 16,5 7636
1970 79.6 1.35 । 0 76 (f 75 2.1 15,8 7845
2273 75,3 1(47 I 1 1 ,57 0,78 2,8 21,2 7802
серы, использование местных вндои топлива), применение сто в качестве
заменителя кокса пе имеет промышленного значения. Только и неко-рших
случаях лучшие сорта вошчуишо-сухого торфа ириmciiaioicu в icopaar.e
ii смеси с м и 11 е а а л f, 11 и w тонлавом, raatmiJM образом, с а игра Ингом или
repMPflirrpan.itTOM-
В некоторых случаях 1 и'[толпзуются k;iMOtTе।гдii у]’с).?и, (и виде
пыли), нефти или газ гт качестве oCHtiUfftH'o или добавочного топ-
лива для в а гр (шок. В послед мем случае они гто.дпо.,'; я лея в нер
большом количестве (1—2%) в фурмы для улучшения раббты
вагранки. В некоторых же районах нефть и природный Высоко-
калорийный газ служат иногда основным топливом для плавки
чугуна в специальных вагранках. Применение газа представляет
особый интерес.
Промышленное внедрение газовых вагранок может в буду-
щем значительно расширить применение газового топлива для
плавки чугуна,
В настоящее время каменный уголь, нефть и газ применя-
ются, главным образом, в отражательных печах, где преиму-
щество при горении в факеле оказывается за длиннопламенными
и сзетящпшкя видами гоилшза.
А. ФЛЮСЫ И ОГНЕУПОРЫ
Как флюсы, т;ж н огнеупоры образуют шлак в прождес
плавки чегупа.
а) Флюсы. Из приие.щчшых кланыт анализов чо.че.е 'ншлшш
видно, что в них преобладают кислые скислы. Точно так же и
металлическая шихта вносит обычно в шла к большое количество
6Н
Плавка чцгина
SiO2 в виде пр вставшего песка и продуктов окисления кремния.
Наконец, футеровка печей при плавке чугуна в подавляющем
большинстве случаев также является кислой. Поэтому флюсы,
применяющиеся Для понижения температуры плавления шлака
и увеличения его жидкотекучести и обессеривающей способно-
сти, имеют всегда основной характер.
Действительно, в качестве флюса при плавке чугуна служат
только основные материалы: известняк, доломит, плавиковый
шпат, апатит и мартеновский шлак. Составы этих флюсов при-
ведены в табл. 67. ч
Наибольшее распространение имеет известняк. Его качество
оценивают по внешнему виду, химическому анализу или по
специальной пробе. Рекомендуется применять плотный и одно-
родный известняк, чистый в изломе, без прослоек глины или
песка и с небольшим количеством примесей, особенно кремне-
зема, так как они не только уменьшают содержание полез-
ного СаО, по требуют еще известняка для собственного
ошлакования. Поэтому содержание SiO2 ~j- Л120з в известняке
не должно превосходить ] — 3%, а содержание СаО должно
быть не меньше 50—52%. Для быстрого контроля качества из-
вестняка можно пользоваться испытанием по способу «прока-
ливания н гашения». Хороший известняк должен при этом
давать потери от прокаливания в размере 41—44%, а при га-
шении быстро распадапюя в сухой белый порошок.
Доломит и плавиковый шпат должны содержать минималь-
ное количество примесей (не выше 5—7%). Мартеновский же
шлак (основной) лучше всего применять от первой скачки, при-
чем ценность его возрастает с увеличением содержания СаО
и МпО. Следует только иметь в виду, что высокое содержание
фосфора в мартеновском шлаке может привести к соответст-
вующему обогащению им чугуна. Если такое повышение содер-
жания фосфора в чугуне желательно, в качестве флюса приме-
няют иногда апатнтонефелиновую руду (табл. 67).
б) Огнеупоры. Огнеупорные изделия и материалы, при-
меняющиеся для футеровки печей и ковшей, подвергаются од-
новременному воздействию высоких температур, химическому
разъеданию шлаками, металлом и газом, механическому исти-
ранию под влиянием опускающейся шихты (в вагранке), давле-
нию под действием веса вышележащего столба кладки и ших-
товых материалов. Кроме того, в огнеупорных изделиях могут
возникнуть напряжения и трещины под влиянием процессов рас-
ширения пли усадки, протекающих при нагревают и охлажде-
нии кладки- Поэтому к огнеупорам предъявляются требования
огнестойкости, термической я химической стойкости, плотности,
прочности п объе неустойчивости.
।
I
У
Апатиты .сдержат пне небольшие количеств* ТЮа . Ка-Ю, 2rO, SeO. и Другие окисли
61 о
Плапка «ш/tia
Наибольшею применение в чугунолитейном производстве
имеют шамотные и полукислые изделия, шцотопляющиеся из
материалов, содержащих глину. Так, например, ГОСТ 3272—46
нредусм;нг|н1|шст нзтснзиминше кирпичей для витринок следую-
щих двух сортов:
л) шамотные с содержанием А1;?С% %• TiOs не меньше 30%.
б) иолукпелые с содержанием А1„-Оз + ТЮг не меньше 20%
Эти изделия должны иметь, согласно требованиям стандар-
та, огнеупорность не ниже 1670°, дополнительную усадку ‘при
1400° не более 0.5%, кажущуюся пористость не более 22%
и предел прочности при сжатии не менее 125 кг,’см2. Нормаль-
ные размеры этих кирпичей приведены в табл. 68.
Комбинация прямоугольного (ЬТ-З) и клинообразного
(13Г-1 и ГГ-2) кирпичей дает возможность производить кладку
с минимальными по толщине швами. С этой же целью целесо-
образно применение специального фасонного кирпича.
Исследования стойкости разных кирпичей при плавке в ва-
гранке показали преимущества полукислого огнеупора, хотя
н шамотные кирпичи высокого качества дают хорошие резуль-
таты. Высокую стойкость проявляют также дниасопыс матери-
алы (с содержанием 9G% SiO_, п больше^ но они нс пыдержн-
н.ают po.'.tii’i.x пл м сиси и ii температур, неизбежных и гюрнодиче-
ски действующих печах для нлашсп чугуна. Поэтому динасовые
м;:т(’рш'1.г1Ы при'('нимы чч|..’н,1<о р Tex :;сп;с<т где они подверга-
гг’тея смене после каждой плавки. Точно так же и в отража-
тельных печах яр('1;мущсст|юнное применение имеют шамотные
н полу кислые изделия.
Только в редких случаях приметают пока при п.тазке в вагранке
основную футеровку н соответственно магнезитовые или доломитовые
ргнеупордке материалы Г1<ы этом магнезитовые кирпичи состоят, главным
образом, из МяО (8й—95’М н характеризуются пысокой огнеупорностью
(темперятз'ра плавления 2000Д размягчения ] ЙОО5) ii химической стойкостью
по отношению к основным шлакам. Вместе с тем они отдннаются повышен-
ной пористостью (~30%) и низкой термостойкостью при резких измене-
ниях температурьр Они неприменимы также при щ>прит;орнсже!1ии с гли-
нистыми материалами, действующими в этих условиях как п.та-ши.
Применение доломитовых материалов в условиях переменных re*nie«a-
тур затрудняется тем. что они поглотают влагу tt рассыпаются. Поэтом?
приходится пронзвотатк кладку их на гончнеч смоле- Для стабилизации до-
Ле.мнтл его обжигают каким-либо кремнеземистый материалами с релью
ТТЩТГГ, СРобОдИУЮ [[ЗИ-'СТЬ. б ИТОГ'" нОЛУчаетСЯ С ! абчЛиЗНрОВЩЩЫЙ Hi'OTfii
гидрат,iiiaii доломит следующего сослана-.
SiO„ % г-c,Ш. % Ы Ж. %. С.1'1. % МкО. %
н') _'jo .ч—4 ?—з ;г>—д> 35—io
’ Срт'лнич
г Збд; АнСы
ci4't:iii шамотного кирмн'м может быть
иолу кислого — 74% ,SiO; и 22% АуСЬ.
принят: 50% SiСь
Сырые материалы, применяемые при плавке, и шихтовка чцгина 617
Таблиц а 68
Размеры стандартных кирпичей для вагранок
Кирпичи из этого материала имеют огнеупорность от 1460 до 1560° н
характеризуются удельным весом 2,4 г/c.u-3 н пористостью 2QT3. Кладке
стабнлйзиропанного доломита производится уже не на смоле, а на воде.
Так как разрушение кладки легче всего происходит по швам
между кирпичами, то для повышения стойкости футеровки ва-
гранок и ковшей их часто делают в последнее время монолит-
ными (набивными). !’> этом случае пользуются соответствую-
щими огнеупорными мяссами (кварцевыми, магнезитовыми, д<»
,И()М1!1<.>ВЫМИ) .
Кеарнсвая смесь е1ют;1нлястся ибивию из песка (70- -9<!'Р)
и глины (1^—30%) е дпг>аикон ны.Чш, а иногда Жидкого стекле
( ~ 3%) и кисет следующий состав:
sio.% лыъ.% Fe.o„% млю.% и.о.т,
77--CI1 4.5—10.О 0,8-5,0 0,3—4,0 1,0—1.0 З.ш 6.0
618
Плавка чигу на
Магнезитовые и доломитовые смеси состоят из соответству-
ющих обожженных и размолотых материалов с примесью 1—2%
жидкого стекла (для магнезита), 6—8% смолы при температу-
ре 86° (для доломита) или 6—7% воды (для стабилизирован-
ного доломита). Для увеличения связи можно дать в воду не-
много жидкого стекла, однако необходимо помнить, что боль-
шое его количество понижает огнеупорность доломита.
4. ШИХТОВКА ЧУГУНА
Задачей шихтовки является подбор шихтовых материалов,
которые обеспечили бы получение чугуна (и шлака) нужного
состава и качества при минимальной себестоимости. Поэтому
при шихтовке приходится сначала производить принципиаль-
ный подбор сырых материалов, а затем уже делать их количе-
ственный расчет.
а) Принципиальные соображения о подборе
шихтовых материалов. Получение чугуна заданного
состава возможно на основе многочисленных комбинаций из раз-
ных марок чушкового чугуна, Ферросплавов и лома. Подбивая
наиболее выгодный с технической и экономической точек зрения
вариант, приходится считаться с некоторыми принципиальными
соображениями,
Прежде всего необходимо возможно полное использование
собственных отходов, представляющих наиболее дешевый мате-
риал, более или менее точно соответствуют и й нужному составу.
Именно поэтому многие литейные дорожат своими отходами,
а также покупным ломом соответствующего производства, как,
например, при изготовлении изложниц, валков, вагонных колес,
ковкого чугуна и т. д.
Вместе с тем многократный переплав в вагранке и в других
печах может привести не только к повышению содержания
серы в чугуне, но и к насыщению его газами. Поэтому коли-
чество отходов в шихте обычно колеблется в пределах 30—60%,
что в большинстве случаев достаточно для их полного исполь-
зования:
Машиностроительное Радкггорное Кгрккй
Вид литья Изложницы литье литье чугун
Отходы.% 1 i—25 25—35 35—45 50^60
В некоторых случаях, когда собственные отходы очень силь-
но насыщены вредными примесями, приходится резко умень-
шать их количество в шихте.
Другим дешевым шихтовым материалом является чугунный
лом, степень использования которого при шихтовке зависит от
количества собственных отходов. Некоторые ответственные про-
изводства (отбеленные !валки, вагонные колеса, изложницы,
Сырые материалы, применяемые при плавке, и шихтовка чугуна 619
ковкий чугун) пользуются специальным ломом соответствующе-
го происхождения. В других случаях применяется разнород-
ный, хотя и сортированный лом, состав которого может коле-
баться з известных пределах. Количество этого лома тем боль-
ше, чем меньше процент собственных отходов в шихте, так что
общее количество своего и-чужого лома (включая и стружку)
обычно колеблется в пределах 40—60%, достигая иногда (для
менее ответственного литья) 70—80%.
Необходимо указать на опасность использования большого
количества (>15%) стружки в насыпном виде вследствие ее
склонности к окислению. При плавке в вагранке шихта с боль-
шим содержанием стружки может применяться только для тол-
стостенного или неответственного литья (противовесы, грузы
и т. д.). При плавке же в других печах и в особенности в элек-
тропечах, где имеется широкая возможность перегреть, успеш-
но раскислить и дегазировать металл, возможно применение
шихты, состоящей из одних отходов и ферросплавов, даже для
тонкостенных и ответственных отливок.
Важным при шихтовке чугуна является выбор количества
стали. При плавке в вагранке оно колеблется чаще всего от
нуля до 40%, а в некоторых случаях доходит до 70% от веса
шихты. Чем ниже содержание углерода, которое должно быть
в жидком чугуне, и чем выше класс литья, тем больше обычно
количество стали в шихте:
Марка чл'уна СЧ1'-36 C42I-W СЧ24-44 СЧ23-48 СЧ32-52 СЧ35-56 СЧ36-60
Сталь в ших|е,% 0—1о 10— Д) 10—20 15—40 30—40 40—60 50—70
Поэтому при производстве ковкого чугуна содержание
стали в шихте также держат на* высоком пределе (около 30—
40%). Наоборот, при мало ответственном литье (C400, СЧ12-28,
СЧ15-32) плавку ведут без применения стального скрапа.
Количество стали в шихте в значительной мере зависит от
типа плавильного агрегатй. Сопоставляя вагранку, электропечь
и отражательную печь, можно отметить, что при выплавке од-
ной и той же марки чугуна вагранка, вследствие процесса на-
углероживания, требует применения наибольшего количества
Стального скрапа в шихте. Наоборот, в отражательной печи,
вследствие значительного угара углерода, приходится применять
минимальное количество стального скрапа.
Если количество чугунною и стального лома определено,
то остаток шихты представляет собой чушковый чугун, который
дается обычно в пределах 20—40%.
Таким образом, металлическая шихта составляется чаще
всего следующим образом;
Ч.гунный лом и собе,веяные отходы... (10—40%
Салиной лом............. ........ О—4<»%
Чушковый чугун...................... 40—2ъ%
620 Плавка чугуна
Выбор марки чушкового чугуна производится на основе
общих соображен и i'i о влиянии походных м,л юр налов. В этом
<’тг1с>[(1е;ни| следует подчеркнуть, что ранее супшспшвзвшая точка
трепня о необходимости введения п шпхгу отш-ндгкчщого Литья
друг,ecu(-.'уio,,|;,)к)го чугуна в значительной мере кокодебдена.
Работа советских литейщиков в области ковкого чугу-
на полностью опровергла эго мнение. Это доказали также иссле-
дования А Е. Кривошеева и Н. И. Блинова в отношении прокат-
ных валков, хотя применение коксоеюго чугуна требует особого
режима плавки. В настоящее время d большинстве случаев об-
ходятся одним только коксовым чугуном. Однако при этом имеют
значение состав и происхождение этого чугуна н условия плав-
ки, При ответственном литье следует отдавать предпочтение
низкокремннстым маркам (№ I, 2, 3, 4), так как форма гра-
фита в них более благоприятная, а газонаСыщепность меньше,
чем в высококремнистых (№ 00 и 0).
В отношении происхождения чушкового чугуна еще нет до-
стоверных исследовании, которые достаточно убедительно
говорили бы в пользу того НЛП иного чугуна.
До войны излюбленным чушковым чугуном многих литей-
ных был чугун южных заводов. Применение магнитогорского
чугуна вызывало Сначала опасения, в связи с. «теорией» о пло-
хих «наследст!'.(Чгпепх» свойствах чугуна, выплавляемою н боль-
ших доменных печах. Практика опровергла эту теорию, и маг-
нитогорский чугун успешно пепольсуется теперь в советских
литейных. Вес же осталось недоброжелательное отношение
к чугунам некоторых заводов (теплогорскиму, ново-тульскому
н др.), применение которых, но наблюдениям литейщиков, при-
водит к увеличенному браку. Это относится также к чугуну
с повышенным содержанием фосфора, дающему пористость
в отливках. Однако было бы неправильно утверждать, что этих
недостатков нельзя избежать соответствующим изменением
технологического процесса, в частности неретревом чугуна
в жидком состоянии и модифицированием. При этом целесо-
образно применять в шихту не один какой-либо чугун, а не-
сколько сортов разного происхождения, причем следует, однако,
избегать большой разпгшы в их составе.
Составление шихты на базе только чугунного .TOMas стала
и чушкового чугуна не всегда возможно. Для компенсирова-
ния недостающего элемента в шихте нрпмсешюг ферросплавы,
х<У1 я пыгокгш содсрька'шш ).'1<то(|нтав и них п малый (тоДщщь
епт диффузии вызывают макро- и мшгргшеоднороднопи в че-
гупе. I Г 'эгпму (Юышю крсШ11- гаюг Ш13К(шр()|>епт!|ые ферро-
спланы и тем белее — чушковый чугун соответствующего со-
става. что кроме, повышения качества отливок приводит еще
к меньшему угару элементов.
Сырые материалы, прв-мвпяемые прп плавке, и шилтоека чрерна 6'21
При применении ферросплавов возможна присадка их
и шихту или иеичередстншию в жидкий чугун. Ih-pi.i.in способ
чбеспсчнвиет лучшее растворение п бблыпую сщц<>родноегь
чугуна. Однако ггрпеадкн, применяющиеся в качестве модифи-
каторов, да;1)Т0;1 ।ч.л.н.шитсльни и жн/ шш чунун, тик как мпкро-
неодпородность в данном случае является желательной.
б) А и и и п ; и ч с с к л ii и г р а (!> и ч е с к и й сп осо б ы
расчета шихты. Если шихтовые материалы принципиально
выбраны, то количественное п.х соотношение определяется расче-
том. Исходными данными при этом служат заданный или вы-
бранный плавильщиком состав жидкого чугуна, величина угара
элементов и составы шихтовых материалов.
Если концентрацию элемента в жидком чугуне обозначить
через Э, а процент угара через х, то содержанке этого элемен-
та в шихте (Бш), очевидно, определится следующим образом:
э- = фф 10°. <198>
где х имеет положительное значение в случае угара и отрица-
тельное в случае пригара.
Таким образом, по заданному составу жидкого чугуна оп-
ределяется с р е д и и й состав металлической шихты. Задачи
дальнейшего расчета сводится к определению пропеггтпого со-
держания составляющих шихты для обеспечения этого сред-
песо состшпа. Решение этол задачи в общем виде весьма гро-
моздко, так как приводит к совместному решению 3, 4, 5 или
даже больше уравнений по числу элементов чугуна. Так, на-
пример:
А С а ф Б С/; ф Б Сд ф Г Ср ф ... = 100 Сш,
A SIa Ф Б SrK ф В Sis Ф Е Sir ф ... = 100 Зф,
А 1Мп,4 ф Б Mils фБ Mils ф Г AEir ф... = 100 Мпго,
А Рд ф Б Гф ф В Ря Ф Г Р,- ф... = 100 Рш,
A Sa Ф Б S-; ф В S5 ф Г S/- ф... = 100 S,,,,
А ф Б ф В ф Г ф... = 100,
где Л, Б, В, Б — п])(.н[(’Нгное содержание спстлцляющнх шипы;
Cl, Е : л, Мп.).. и т. д, нроппггш )(1 счщержатнп' э.'.шмепш.да
и cot )Тг.етс те уч. >1, и (х тост п i ci я г >1гп I к шноы Мц.,... п т. ч-
г |.п’гг[.чс(' кршкчп пос со.тержапш’ элем актов н шихте.
Решение, такой системы уравш'.инй не только затптишт'ль-
но, но и не всегда возможно. Поэтому задачу несколько упро-
622
Плавка чугуна
щают, выбирая количество чугунного лома и собственных от-
ходов па основе изложенных соображении, ц количество ста-
ли-па основе формулы (188),
Пусп, содержание углерода в жидком чугуне должно быть
3,0%. Тогда, пользуясь формулой (188а), ишщсм. (-одержание
углерода л шихте:
С = ~ Ч = 2,4%.
0,5
Если принять среднее содержание углерода в стали равным
0,3%, а в чугунной части шихты 3,3%, то количество стали (х)
определится следующим образом:
О.Зх (100 — х) 3,3 = 2,4 . 100.
х = 30° 0.
Теперь остается только рассчитать количество разных ма-
рок чушкового чугуна, что и производится обычно по главным
элементам (за исключением углерода). В этом случае задача
сводится уже к совместному решению только 2—3 уравнений
со столькими же неизвестными. Расчет ведется так, как это
показано в табл1. 69.
По заданному составу жидкого чугуна и всличиис угар;, элементов рае-
считываетея ередпчй состав иигхгт.г но формуле (1Чй). который н данном
случае гостлвляет:
si. ми, % р. % s, %
У.К! 1.Ж п;ю 0.071
Зная количество стального скрала и задавшись количеством собственно-
го (20%) и покупного (20%) лома, можно, исходя из их химического со-
става, определить количество элементов, вносимое этими материалами. Эти
количества заносятся в табл. 69 в соответствующие графы.
После этого легко определять сложением общее количество элементов,
вносимое чугунным и стальным ломом, а затем путем вычитания из сред-
него состава шихты найти количество элементов, вносимое чушковым чугу-
ном. Его средний состав определяют, исходя из того, что общее количества
чушкового чугуна составляет 30%, Тогда получаем:
Si. % Мп. % Р. % S, %
!.5 '2.17 0,42 о,0ri'.
Высокое содержание кремния (4,5%) И марганца (2.47% J показывает
что необсолнмо будем пользоваться ферросилhikicki н зеркальным чугуном
С другой стороны, желательно внести в шихту хотя бы два сортз чушко-
вого чугуна. из которых одни должен был, с >1опы1пенным содержаЕГием
фосфора (класс В), чтобы о Си 'с । i е11 и с ।. среднее содержание фосфор;, в 0,42'l/i?.
lio-jri'iv выбираем rriu сорт.; чУгумл- ЛК-1 класса Б.ЛК-2 класса В в
фе р Р<1С 11.11:1Г Н Г| ‘1>С- I, Р(|1'Т,н:ы которых ДШ1Ы Ii T.'lfi.l. 69.
Расчет г.тои'ч по крсмшцо и фосфоре Для чего составляем дна vP-n-
’ В др у г I.'. сдучаяз расчет ведется только по к ремни к1 или по Крем-
;ина я Mipr.iHiiv.
=f
s
ч
«
к-
= ^ ! -
и OtzO X
Плавка 4s/c'ijna
неИ151|, обоз:।a -ji।;; iri-pL.3 x 11pоце;iт;:ос e:'Держаi.;;; piaxTe чугуна ZIK-I,
через //-- itpop,.i;Ti|OL. содердка;ше чугуна .'Пуд и ....(Ip0.
Ut?li ГЕ-Iti,:- (a ,a,;,pi ,iJrC ферро-ср..11 НИИ Я:
a1 ii'j pcjaHiiio: x 3.0 Ц I (JO-—x </)lt .
6) li:i icipopy: X 0.22 -- tj (),.r>;i p (30 — x - yjO.Ui . и..!.', . |'(),')т
I’c'.'.r-r,i 11-,,',-чеспю УГЦ урагшеипя, найдем: x -C>%, у.. h Ж—х—1/^-3%
Рент, чие агах v [i а пне» i 1Й
в<Г1М0Жг:о тар;.ад. графиче-
ским путем, как это пред-
лагает Н. Н Рубцов. Для
этого п координатах %Si
и %Р наносим- точки, со-
ответствующие составам
шихтовых материалов (Л,
В. С] и среднему ^составу
чушковых чугунов (О)
(Рис. 386).
Расположение точки О
внутри трсуго.чъпнка .46Г
показывает, что из трех
HVrvitoa указанного соста-
ва можно сделать смесь,
соответствующую среднему
составу чушкового чугуна.
Ccp-rnonienitB между раз-
ными марками чушкового
ЧУсуна оиочделях'тся слы
дуюгким образом:
Рис. 386. Г. fi.T.jiji чес ки ji расчет шихты
<10 (’О СО
.4 : Li; С -------. -----.
а А Mi сС
Найдя тем или иным способом процентное содержание в шихте чушко-
вых чугу'ноз. опрелелясм соответствующие количества элементов, вноси-
мые этими материалами, а затем средний состав шихты:
i С. э;г si, % Tin. % Р. % S. %
'-’.is 2,12 OmS С',3 <),и7
Как1 и следовало ожидать, содержание марганца в шихте слишком низ-
ко и его необходимо повысить соответствующей добавкой зеркального чу-
гуна (3-1). Недостаток
Гак ;как содерЖгТНие
холимое количество его
ч7>то Хеми’ । ест !ЗГ1 yi-cfi г?
KXllI' I.'i F- II I E.J] iifiOQ KOj?r|'i(.C H'.O •.'J'/.’R'II • l'r? .('i ”i С-'С{ИП illllXTbT, G<Jli|-
ном, < ж : ичиге;! в но оирсде.-шкн (табд. (Ж
марганца составляет
1 .35 - и.88 = i),37%.
марганца в зеркальном чугуне равно 20%. то необ-
составнт:
...лыюго чугуна. Дашюс еi>гРх le'-j?,' вИгД'ет
[ Ъ'РЖЩШС УТ.ЧГРОДа (, 1ГН1ЧГЫ Р 3,37% примерно COOT 1.И.Т(’Трус Г .Ш.-ЩЩ
НомУ. 'lo'iii'j то х же содержа нир .др у mix элементов б-ш и«> к а. щ a 111 и >м v
в противном случае расчет слс.допа.то бы сделать повторно.
Сырые материалы., применяемые при плавке, и шихтовка чугуна 625
Зная вес металлической колоши I и процентное содержание составляю-
щих. нетрудно найти и их абсолютные количества,
н) Расчет флюсов. Присадка флюсов, hmcioih.ih целью
к< ui учение jiijhikub онрсде.щмгиого состава и вязкости, произ-
водится обычно ц,.| основе практических соображении и раз-
мере 20 --50 % от веса тошшшюй колоши или 3—6% от веса
металла. Величина эта уточняется в зависимости от внешнего
вида шлаков, их жидкотекучести и образования настылей в
печи, причем для уменьшения вязкости шлаков соответствен-
но увеличивается количество флюсов. Таким образом, расчет
флюсов, как таковой, обычно но производится. Это объясняет-
ся не только отсутствием достоверной методики расчета, но и
некоторой неопределенностью задачи, так как с повышением
количества флюсов увеличивается также разъедание футеров-
ки, а следовательно, измснеяется состав шлаков.
Однако в некоторых случаях, например при переходе на новый вид
Топлива или новую металлическую шихту, расчет флюсов может оказаться
полезным несмотря на то, что носит приближенный характер. Поэтому
важно дать принципиальный метод этого расчета.
Как было указано выше, !1сточгшкзмп шлакообразования являются:
ГК сок,
11 cti i4i । л к л Угар нристац-
hli elk пойpaao Зола элементов ()киглы ищи к
влип» Tou-'Niita (Si, Ми, i’\') tinixibi иностр Фугеронка Флюсы Всети
о/
к металлу 1.0—1,2 1,0-2,0 0.2—0.5 0,5--2,0 0,8—2,0 1.5—3,0 5,0-10,7
Все эти составляющие создают ц общем итоге шлак определенного со-
CTaa.'i, а с.тедпвате.ЧЫ!о. и определенных свойств. Однако, до сих пор нет
единого мнения в отношении того, к какому шлаку следует стремиться.
Тик. ня при мер, И. Ф. Свинер рекомендует получение шлака с возможно
низкой температурой плавления. Л. М. Штернберг и Л. И. Серебриер —
с возможно низкой вязкостью, Некоторые считают, что шлак должен быть
определенной основности иди определенного минералогического состава.
Одпако, выше уже указывалось, что хороший шлак возсе не должен об-
ладать очень низкой температурой плавления. Что же касается вязкости,
основности и минер а логического состава, то эти характеристики, вероятно,
тесно увязаны между собой и поэто.му могут быть положены п основу рас-
чета флюсов. Действительно, сделав соответствующий перерасчет данных
экспериментальных работ, получим следующие характеристики ваграночных
шлаков при разной присадке известняка (табл. 70').
Согласно опытам, оптимальный по жидкотекучести и обессеривающему
лейегзню шлак получается при расходе известняка в 4%. Поэтому кажется
возможным вести расчет шлаков на соответствующие показатели табл. 70.
например;
о/ С;Ю i.U(.) ОДЗД SRO
SiO, Sit.k (), (bit\) SiOt+AljO,,
-’I’- -27 0,5—0,7 [,()—! ,3 (>ю -0,7 0,8-1 ,о
1 Вес металлической колоши определяется по весу коксожш крлоши.
Уделим ып расход топлива не рассчитывается. Он может был. взят по
графику (см. рис. 357} или по практическим данным.
41J Зак. SOS
626
Плавка чугуна
Таблица 70
Основность н минералогический состав ваграночных шлаки?.
Химический состап
%
О
2
3
4
5
6
С \‘ПОК1 lOl.’Tt-
п>г tn к- рллогический согтяи
и ИI- (.тт bl х 11ръЦСИ'*Л х
I Избыток
SiO- Л|,0
7,4 58,1 18,о| 3,0 8,8. 4,0 0,13 0,40 0.23 0,32 18,2 1,<) 49, ( 31.8
13.7 50,4 11,5 3,5 16,5| .1,5 0.27 0,74 0,34 0,62 28,4 21,6 31.4 19,6
20,7 44,9 10,0 4,0 16,81 3,5 0 43 1,01 0,500,82 28,8 39.5 27,2 4,5
26.4 42.7 10,2 4,5 -2,С 3,5 0.62 1,09 и,62 0,88 22,2 47,1 2?,8 — 2.9
29,2 40,5 10,5 4,5 [1,3!3,5 0.72 1 ,20 0,66 0,95 21,0 42,3 29,0 __ 7,7
31,5 38,3 10,3 5,0 11,51 3,0 Г 0,82 1,33 0,71| 1,05 20,6 39,0 28,0 — 12,4
MHiiepa.-rorii'iecKii!i состав хороших шлаког, показывает, что расчет мо-
жет также i।роводитi,ся па отсутствие свободного кремнезема. При подсче-
те минералогического состава viipomeiiiro примем, что глинозем н кислых
1влак;>х образует анортит (СиACSi..(_M. нГрая таким образом роль ocaoiia-
ипя. |[|1[|ш:м, так же, что 1;е() и МнО образуют coca г i п е i ш я тгша [[> а а я ен па
(Fo.iSiCl,). а ювеесч и мапп'зпк — соединения типа поаластопнта ((ПSiO.,),
после чего могут остаться в том или ином количестве свободные иэиесть
или кремнезем 1,
До присадки (ji.’iioca избыточным компонентом является всегда кремне-
зем, который нейтрализуется поэтому основанием (СаО). Определение этого
избытка кремнезема может быть в общем виде произведено следующим
образом.'
SiO2, связанный в Fe,SiO| — (StO«)^ g.Q
= (1ДО),
144 4 h
SiCO, связанный в CaALSi A — (5rO2> = „ (AtsO3),
L-a 10-^
56
СаО, связанный в СзА1г512О., — (СаО) = -77 (AtO3),
U*1A LS IlA-mj J I.JrS
56
остаток СаО, связанный it C<iSiO3 — (CaO)r = (CaO)——(A1A).
SiG.,, связанный в C;tSiO5 — (ЗКЦ.
60
>6
(CaO)-
56
102
(A 1,0,)
1 Xio? iHHiri.K' 1 в гк । ж c r 11 я. ;i также iit'ci, последующий паснет я в '11 г > I >'11
уегто вt i i j 1 i. ток как химические <.'ш'.ЦИ1Щи1и в шлаках ди<.'егщии1?.>в:и|ы
и c-irn'ir.. a 1; 1.1 x SiOn и CaO no iiyinecTOv. не имеется, тик как они образу юг
общие р.чствг'ры-
Сырые материалы, применяемые при плавке, и шихтовка чугуна 627
После этого можно определить свободный кремнезем:
niiu, )..(1 (8Ю,) (1-еО)1 “ ~~~ (А 1„°д) -
— ?1’- (С,т<)); - (А1,о..) I ^(SiO,) —0,417 (РсО) -
ю | ИС " ' J
О, ,+8S ( А 1,0,) — 0. 588 (СаО). (1' И')
Точно тякп.м же способом можно определить и количество свободной из-
вести в шлаках или в флюсах:
(СаО),?в = (СаО) 4-0,55 (А[аОв)4 0,3!.1 (КО) — 0,93 (S10J. <200)
Произведем для примера расчет флюсов при плавке в вагранке.
Д. 14 этого определим сначала составные части питана, вносимые всеми
источниками шлакообразования, кроме флюса (табл. 71).
Пользуясь формулой можно определить количество свободного
кремнезема:
(3;О3)св =^'^.35 -0,417- 1-34 — 0,?88 - %81- (>,Е88 0, [0 = 1,25%.
Соотиетствующее количество извести, необходимое для связывания этого
кремнезема в волластонит (С aS.0:9, определится:
СаО = ~~ 1,25 = 1,17%.
С) о
Это колинестцг> извести вводится и шнхгу в виде известняка слсдукмиего
«.'вегана; SiO,. % mo,. 'Л Л1 (К 'll. % .Mi:!'.":,
1.21 D.M) 0,'i0 ьу.н 1.К7
n<n';i <, пол v lf' nr: Г'эотйетствуюшсго SiO . % 1,2<| пересчета (HO). % 0/16 1ЖО, на Ft О Л II О.,.'у 0.40 ), мйо (СаО), с,.-и 56.0 1ЕП СаО
Пользуясь формулой (200). можно теперь определить свободную известь
флюса:
(СаС%Е = 56,6 + 0,55 -0,40 + 0,39 0,30 — 0,03 • 1 ,24 = 55,8%.
Следовательно,
количество добавляемого известняка;
1.17
------ . [00 = 2, I
55,8
а;
/О'
Зг.г'.тсч лтот !:оел,'Д!П1Й источит,- !п.такообразоп;.нкг,ч’ в табл. 71, можно
рагс'шаг;, ок.'-.ч,;;'состав и Количество шлака. Основность полу-
ченного i;i,tики ।р.-делчстся следуклзд.ми данными и является вполне
нордальней:
. , ,А' О о, [I Л!.О) Т.Н о
СтО.:.а — .......- ...... .....- ----------------
Siu, S’iO-j о <s.o ) х SiO, Л1 о,
21 O.r.G l.d'3 C.1,2 (1,81
' (.1+0) ir (CaO) 03fj;i,(,i!(>T (ip111-i'.t.c!11!iiie концентрации I'oi I MnO
и GtO 3%O. а именно:(FcO) =- ICO + ут MnO и (Cat.)) = Cat' I-—- iMs(
4o ’
Плавильные печи и режим плавка п них
629
Расчет шлака йог бить, конечно, проведен также по дэуюму показателю
LaU
ы: чинности. I lanjiifMcp задавшись нормальным отношением — —ОД
К и >5
мЮчш <жт;ншii. ajri'.wioHiei’ урашш гие зли определения тыпчестр лобан-
.'гясмогп Hiiwin'rка л\ пользуясь данными [збл. 71;
—— ; 0,(j!)
|Ш)
Низкий расход известняка, онрсдеденный как этим, так И предыдущим
сассрбом, объясняется сравнительной чистотой шихты.
Пользуясь Диаграммой рис. 346, можно ка основе найденного химического
ссстава шлака определить его вязкость ц температуру плавления, что бу-
дет служить проверкой правильности расчета.
Найдя общее количество флюсов, следует определить их состав, учиты-
вая, что применение доломита, пиролюзита и мартеновского шлака умень-
шает вязкость шлака и улучшает ход вагранки.
ГЛЛВЛ хш
ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ И РЕЖИМ ПЛАВКИ В НИХ
Температура н качество получаемого жидкого чугуна
и епшшоп степени зависят от конструкции плавильных печей
И режшча планки в них. Из всех применяемых, ночей наиболь-
ший интерес представляет вагранка.
1. КОНСТРУКЦИИ ОБЫЧНЫХ ВАГРАНОК
В течение 175 лет своего существования замечательное рус-
ское изобретение — вагранка многократно подвергалась нзме-
hcfut.hm. История этих изменений, направленных, главным об-
разом. к уменьшение расхода топлива и повышению темпера-
туры чугуна, весьма поучительна п подробно изложена в тру-
дах русских ученых — В. И. Кнаббе, А. П. Гавриленко,
М. Г. Евангулова и др. В результате многочисленных иссле-
дований выработана наиболее простая конструкция вагранки
(рис. 387).
а) К о ж у X' ваг р а п ги н е г о ф у т о р о в к а. Кожух г.а-
[ ра![><п представляет собой весьма проеду ю конструкцию (Алс-
H.MHIVIO ИЛИ Сварную) Н-Т ЛИСТОВОГО ЖеЛеЛИ ТОЛН'ШКЙ! б- !'? мм.
Ь;,лсе толстые' листы п [>i । мп! я к >тг и для вагранок больших дпа-
Me ipoi; п шркпих наиболее' oTre ic i г.,ниl.iх частей, где г гтст-
нуют высокие температуры. Полей гонкие листы применяются
.для малых иагряпок и nepximx 11асiшi. Кик nppipi.'iiu г;,и ринки,
а Щ1сдй1;атс.’пшо, и обичапю! шыкуха имеют круглое сечсипе.
Только в редких случаях вагранки очень болiииi'х диаметров
630
J i j 6 Ли *' N i1/с11/h l3
устраивают иногда эллиптическими для облегчения проникнове-
ния дугг.я к центру. Обпчанкн имеют длину <л- | д0 2 м и скле-
им наются или свариваются между собой, образуя кожух Uik'ihh-
ЛрИЧСЕЩой (popМЫ, в котором ВЫрСЗиНЫ ОТЛСрСТПЯ ДДЯ растопоч-
ных и :<;ii;;i,;j04fii>ix дверец’, фурм И леток.
Труба вагранки представляет обычно цилидрическое про-
должение шахты, и только в больших цепях она сужена по ди-
аметру для уменьшения веса и расхода металла. Для увеличе-
ния жесткости металлической конструкции н поддержания
футеровки к внутренней поверхности кожуха кольцеобразно
прикрепляются уголки г;а расстоянии 0,5-М,0 м. Во избежание
коробления уголки составляются из отдельных сегментов. Из
уголки укладываются чугунные кольца, на которых покоится
кладка,
Во избежание деформации при нагреве между кладкой
и кожухом оставляют зазор шириной 15—20 л.и, заполняемый
га'рыо или песком. Толщина футеровки колеблется в пределах
112--250 зли, а в больших вагранках — до 300 ,ши. Слишком
толстая футеровка приводит к сильному оплавлению кладки,
тонкая же футеровка имеет следствием большой разогрев, а
иногда к прогар кожуха.
Кладка ведется, как пршшло, п 2............3 ряда (рпш 38S). Не-
носредстпеппо к кожуху прилегает так шгзыг.асмая «рубшпка».
л затем шзустутшо идут второй и третий ряды. Эта кладка сме-
няется в плавильном ноже во время текущего ремонта, обпито
посею каждой плавки длительностью в 5—10 час., хотя в некото-
рых случаях вагранки работают в течение большего периода
времени (несколько дней). Кладка вагранки, в особенности в
области ниже плавильного пояса, должна производиться с боль-
шой тщательностью на жидком растворе с минимальными по
толщине швами, так как по ним начинается разъедание футеров-
ки. По этой причине, а также с целью экономии кирпича, в на-
ших литейных получила распространение иабивяая кладка,
производимая но разъемному шаблону. Набивка ведется поело li-
no с тщательной трамбовкой каждого слоя.
Требования к футеровке в области выше плавильного поя-
са значительно ниже и ограничиваются, главным образом, ме-
хшигшекой прочностью. В этом отношении приходится особо
отметить Исбэл !..[И и |! ИО НЫСОЮ Пояс (около 1 м} ниже ко-
лшиидкового окна. Стенки этого пояса подвергаются сильным
уд .рал: со стороны загружш’моп (им те.г , и кпршпищя клад!Ш
здггь |''ыст[>о щг.фушиотея. Поэтому рекомендуется применение
: [Ы'।iii4-iit!.i<- /tm'prir.i сьуж.'Г! К1Ш Т'Ы ремою';.; и до.тюы
iiij М1',,:.|цг (J.4 >; 0,5 лр. Р.-нюдн.-! :ою;.1 личных Д|.к'[)Г1.( лииКят от
и।.сеноj з:и;а.':к1! (ручного или мссariIiл;ii>oвдциогф ц онлннпъв здгру-
.:ынж VCTDCIКГ ! I'-
Нли'вилииые печи it режи.'Л планки fi них
G31
в этой зоне чугунных пустотелых кирпичей, заполняемых при
кладке сухим песком. Эти кирпичи имеют соответствующие
вырезы и шпунты, предохраняющие их от скольжения и сдвп-
। и (рис. 3S9).
По своему профилю современные вагранки имеют строго ци-
линдрическую форму. Применяющиеся иногда заплечики, подоб-
но тому, как это делается в доменных печах, имеют целью луч-
Рьс. 3-S7. ОГ)|Ш1Й вид няI’n-TitoK.
ki.i.iejzi вина i( , nvniiofl :s:irr'V i':°ii; <1 — c Kciiiir.ni.jiiibit r Mrs ui'i’.iirpormHH,>ft .г,гру.'К<.Л
Hie nCH(!.'ii,4ihaTi> tchjii) в;[Граночиь1Х rami; и концентрировать го-
рение в Гюлсс узкой части шахты. В некоторых случаях л л пле-
чики делаются для уменьшения диаметра и прси|.знол1гг1’.-,шш|Гт;|
вагранки. Однако, высоко устроен!Иле заплечики ведут к затруд-
нениям в сходе колош и зависанию шихты, э низкие заплечики
632
Плавка чугуна
обычно интенсивно разъедаются при планке. Поэтому подобные
устройства редко встречаются в наших литейных.
б) Фурмы, фурменный пояс и подвод воздуха
II н а г р а и К у. Вся система, подводящая и ши ринку воздух
(воздухопровод, фурменный пояс и фурмы), имеет полью снаб-
дить область горения нужным количеством воздуха. При этом
Рис. 388. По уст’.'шм я кладка в вагранке.
3 - - фЛСсигРЫ.М Klipni; Ч-j.W; б -- ИпрМ^ЛЬНЫ.Ч Klfpnil'lGdw
Рис. 389. Чугунные пустотелые кирпичи, применяемые в pepxiieii зоне ва-
гранки и их кладка
необходимо обеспечить равномерное распределение воздуха по
периметру вагранки, а также достаточно глубокое нроншенове-
вне его к центру, С этой целью было предложено в свое время
о но жест во разные фуим (круглые, кы луг । лыс. прямоугольные,
эллиптические, щедезидпые по всему периметру вагранки), рас-
шложсв[них в одном пли нескольких рядах и с различным укло-
ном к !о)>п.и1|1ту и т. д. Можно считать однако усташи;.темным,
что если Н(’Л[[, сп।;।m(।с перед ноздухоподводшнен системен ч от
[ЮПНЧПШ |И1СТ(>ЯШ’ПШ, ргЧШ[ОМС|)Ш)СГН. количества [1 ДИ1'Л<Ч1ИЯ
воздуха, дощ innyTi.i, то форма сечения ц количество фурм ш'
имеют ооЛ’яного значения.
Плавильные пени и режим плавки в них
633
Типичное устройство наших вагранок с одним рядом фурм,
К которым ВОЗДУХ ПОДВОДИТСЯ из воздушной коробки посредством
отдельных pVKaiion, показано иа рис. 387. В качестве примера
вагранки с двумя рядами фурм мтонет служить рис. 390.
Рис. 3'90. Вагранка с двумя рядами фурм
Воздух по.ттодатся здесь атомя рядами фурм, из которых основным яв-
ляется шгжни:";'. ЧтоСы ооесисч тот. равномерное распределение воздуха по
периферии и н то а<е Время не ослаблять в сальной степени кожух вагран-
ки. Фурмы, имеплцае пркмоуголыите ссчеане, рвспитршогся по наир в и hi:k>
t: nuvТ|тгзriire-Tr iKHit’PXtioiMH клатой Hi:/То-то Фх to-ii-i iTOiiTOuajiiJ .То',ши 'то
I.-.'• ।ачi.-скг’мri плитами <T'.'l)п'-’н п нижней), меж.ту которыми \t'T.-.i • .н-.i..i
т ;ч‘\го.петое ЧУГупиыс I; е Ш :l J1Г К: ।, и< т лер -к I: на г ;1| 1.1 И1 к.т. i Л К V. i | р,-л/к гк:|
Mi тото вами и то,..; с i аил biot сотой фур,то. Для умсики1епия них )>< г. ы х ротоног.
ti poH.i.a 11 ня бо-'ice стажонгого line i то. i.'I'K'i в'з I'.'X.i в ширтоку и Ju. p'-i.ix о,
< г<;;к1:11л I'l.iTO.Tiioro отверстия ует.ив;г..иды успокоители!, );, п\ни-.- 'f.'vp’p'i.
равно, н тошии.ie □ промеж утрах ме.-кл е внжнимн, о С, раз пил i иi.-p ил ы.петой
'i\ryii 11ВГНР .1ТЛНВКЛИИ. прикрепи'ЦВ11М11 к кожуху ургралки. l-iKTO- уетрл.р
ство в itokoTtiPtiix вагранках принтов также для нцжнрх |.pм Д т1’ 11 Дру-
гие фурмы Часто имеют iiooo.iни!<>;’; уклон ([(I —15-) к г...то. илгиапкн дли
Плавна
.lUpaninmitii;, поздуха. Уклон (лот, однако, дадж^п бить те и мень-
ше, чем од i:;k,> ipv'iHo.r к пОДУ. liitti'ie возможно im.ii.iKH.- его охлажден не
rotrvifiiiOHiii.'.j ш etiVXoM.
Для I[|)<ш।fcTKi। п ниблюления на фурмами против каждой
фУ1,?|,н \страиваются откидные, дворцы с соо-гв<'тсгг,у|()ишми од.
вгретиямп («гляделками») закрытыми слюдяными пластинками
(рис.-ЧУ7, 390). При атом одна иди две из фурм делаются иногда
предохранительными и снабжаются желобками для спуска
металла и шлака в случае, если они достигнут в горне уровня
фурм (рпс. 390). Эти фурмы имеют уровень примерно на 25 мм
ниже других и снабжены отверстием, закрытым свинцовой пла-
стинкой. Чугун или шлак, попадая в эту фурму, расплавляют
предохранительную пластинку и стекают по желобку, давая тем
самым вагранщику сигнал о необходимости спуска шлака или
чугуна в том случае, если он по какой-либо причине не успел
это сделать во-время.
Постоянство режима работы вагранки в известной мере за-
висит от чистоты фурм и их бесперебойного и полного исполь-
зования. Для этого необходимо принять эффективные меры про-
тив ошлакования фурм. С этой целью полезно прежде всего,
чтобы верхний край фурм выдвигался над нпжнцм, как это
например, показано на рис. 390. Стекающий сверху шлак в этом
случае' несколько удален от охлаждающего допствня воздуха
в самом начале его выхода цз фурм и поэтому не столь быстро
затвердевает. Сели фурмы нее же время от времени ошлаковы-
шиотся, их механически прочищают ломом- через подъемную
х гляделку».
Очистка фурм возможна также путем временного прекраще-
ния доступа воздуха, вследствие чего температура у закрытой
фурмы повышается и затвердевший равен шлак расплавляется-
Временное црекращепш? доступа воздуха в ту или иную фурму
осуществляется путем устройства соответствующих заслонок или
шиберов. С этой же целью иногда устраивается двойное коли-
чество фурм в ряду7 с соответствующим разделением воздушной
коробки на две части вертикально!! перегородкой (р-ис. 391),
Половина фурм (через одну) соединяется с одной половиной
воздушной коробки, а другая часть фурм — с другой половиной.
Посредством перекидного клапана воздух пз^ воздухопровода
пенрааляется то в одну часть воздушной коробки, то в другую.
Перекидка клапана н-юшшодится каждые 15—20 мни. За это
время фермы, остающиеся без доступа воздуха, очшнаются пт
шлака. Одиако, действие этой системы удовлетворительно толи-
ки в тсм '.'.ту1 ((ю. се.за едг-И'иш Д"гуан)41ю герметично.
Ус-i ройстио Двух рядов фурм имеет преимущество перед од-
ним рядом, главным образом, вследствие меньшего ошлакова-
:цЯ, Это объясняется тем, что в каждую фурму поступает мснь-
Плавильные печи и режим плавки в них
ше воздуха. Если же принять друпю эффективные мере против
ошлакований фурм, то однорядные вагранки, при том же ко-
личестве воздуха, не уступают по результатам плавки двухряд-
ным и с пользой применяются во многих наших лнтейиых.
При проскrnpojnuniii воздухопровода следует учесть, что он
ДОЛ’ЖСН ПоДС.ОДПГЬ Воздух от
w fг Разрез т Aff
РаЗр&З /?J lip
вентилятора к фурменному поясу
кратчайшим путем и с наи-
меньшим количеством поворо-
тов при достаточных радиусах
закругления, чтобы обеспечить
минимально возможные потери
Ряс. 391. Вагранка с перекидными
фурмами
Ряс. 392,
духа в
Способы подводя воз-
фурменную коробку
воздуха. С этой цсле>ю воздухопровод п вес его соединения дол-
жны быть выполнены вполне герметично.
Для создания равномерного распре.^лепия воздуха по фур-
мам вокруг вагранки устраивается фурменная или воздушная
коробка из листового железа толщиной около 3 лея. Воздух
в эту коробку подводится тангенциально пли сверху ("второй
способ предпочтительней) (рис. 392).
I ! и а ч и агодуха < >су [ТЫ ст пи i i <"гся иентндятчрпм — Игн гробежным и;: я i:oi)-
'uiitciH.'.M. уетреЛстпо которого Ышс.Ывается н С1К'1ша.п.ж>м курсе. [Гсю'а-
I'ii.n, что > ' । р л ктср и стп ;< a i и i к р । >бс Ж и 11 г< i iss'io и'or'tiiia |>.,)Д|гк.я.'цд|..1 , s-|-.i и ч, ? t.'ii
'1 Г 11' > р: IШСI st > ft >. CltS'r.iTM I ют: [ V X ; I ( p- ) , | JI 1 4.1 n11' M1Л ii 1|СИТр()б>'Жц1,|М : It.lUTD-
ptC'.Kp понижается c увг.тияt1 ипем ii'v’i irlvinniuietniH (P). ri jo nps'ci ник
гл ।pisi11<’ ।S' -Jr upiоiij:нтор подлет ihtitii ii' on'>я : ।ri.iii объем po.!;iv:-ti. п 11 n .'on:
пом t’iio-тг tibt'ii'iTon. urie зависимое ra <n n I'' n'l i s.« >л а и ,ч c 11 и п. Ц; ;-it'j’ii'e tir;i>c-
acjiae;ся •oiptiKrenncTirKoi'i carpanKsi n может vne,in<iurs;tT5c-.i ипп vxtert’--
щатьсл is жшпспмосги от высоты cri'oi'k rI![ixтоnЫx матл.шкк'л. r;1 i'leiwn eno-
636
Плавка чугуна
бедных промежутков между ними, сечения фурм, степени их ошлакования
и т. д. Поэтому при увеличении противодавления центробежный вентиля-
тор будет уменьшать количество подаваемого воздуха при сравнительно не-
большом повышении давления, а поршневой вентилятор будет только в нс-
КаличесмМаэ&уха
значительной мере изменять коли-
чество подаваемой, воздуха при
резком увеличении дпрдения.
Это иллюстрируется схемой рис.
393- Если характеристика вагранки,
т, о, зависимость между объемом
воздуха, подаваемым в печь, н не-
обходимым для итого давлением,
определяется кривой ОВ. то цен-
тробежный вентилятор будет пода-
вать объем воздуха ИЛ[ при давле-
нии Pi. а поршневой вентилятор
соответственно И6, при Р?. При
увеличении противодавления в ва-
гранке (ОА вместо 05) центро-
бежный вентилятор незначительно
повысит давление (Рз— Рц} и за-
Рис. 393. Сравнительная работа
центробежного и поршневого вен-
тиляторов при изменяющейся ха-
рактеристике вагранки
а б
Рие. 391. Качающиеся копильники:
а _ чайниковый; б — барабанный
метно уменьшит объем подаваемого воздуха (1У4—ИЛ) в то время как
порншевой вентилятор в малой степени уменьшит объем воздуха (W’o—
W j). по при этом резко повысит давление (5; — Р^}.
Так как работа вагранки определяется, в первую очередь, количеством
подаваемого воздуха, то поршневые вентиляторы имеют преимущество пе-
ред центробежными. Одипко, несмотря на это они имеют меньшее распро-
странение вследствие сложности конструкции ц обслуживания.
в) Устройство для скопления и выпуска ч у-
г у,н а и in лака. Скопление чугуна и шлака производится
Либо в горне вагранки, либо в специальных копильниках разной
Плавильные печи и режим плавки в них
637
Шер
Линия пом
ДутЬ
Мала#
Рис. 395, Копильник со шлакоотделенкем
в вагранке
конструкции и имеет целью собирание металла в нужном коли-
честве, а также выравнивание его состава. Кроме того, там
производят иногда ту или иную металлургическую обработку
чугуна. Применение копильников способствует более равномер-
ному сходу колош и
дает возможность
уменьшать расстоя-
ние фурм от пода
для получения ма-
лоуглеродистого чу-
гуна, Все эти преи-
мущества, несмотря
на некоторое охла-
ждение металла1 в
копильниках (50—
60°), привели к их
широкому распро-
странению. По своей
конструкции копиль-
ники могут быть раз-
делены на стацио-
нарные и качаю-
щиеся, со шлакоот-
делением и без него,
с подогревом и без
подогрева (рис, 387, 394, 395, 396). Наиболее распространенны-
ми являются стационарные копильники круглого или квадрат-
ного сечения с непрерывным течением металла и шлака из ва-
гранки через специальный проход (рис. 387 б). Для наблюде-
ния за проходом, а иногда и для его прочистки в дверцах ко-
пильника устраивают откидную «гляделку». Выпуск металла
и шлака из копильника производится периодически.
Другой тип копильника, встречающийся реже, периодически
воспринимает жидкий металл через летку вагранки (рис. 394).
Шлак при этом спускается через задний жолоб, как в вагранках
без копильника (рис. 387,а) или посредством особого жалоба,
отделяющего чугун от шлака (рис. 397), Копильники (миксе-
ры) в этом случае имеют конструкцию качающихся ковшей раз-
ного типа — обычного, чайникового (рис. 394,а) или барабанно-
го (рис. 394,6), установленных на цапфах. Такие копильники
особенно распространены в конвейерных литейных.
При отсутствии шлакоотделения и при непрерывном выпус-
ке металла шлак вместе с чугуном попадает в копильники и в
них отделяется. При периодическом же выпуске чугуна из ваг-
гранки шлак выпускается через обычный шлаковый жолоб, и в
638
Плавка чугуна
копильники попадает уже чугун с минимальным количеством
шлака.
Попадание шлака в копильник может мешать реакциям
обессеривания, а также усвоению легирующих присадок. Поэ-
тому в современных литейных устанавливают часто шлакоотде-
Рие. Зда, Копильник и вид разборной пени, отапливаемой угольной пылью
лительный жолоб между вагра'нкой и копильником, действую-
щий на припппие простого сифона н отделяющий более лег-
кий шлак от более тяжелого чугуна (рис, 397).
Сифонное устройство всегда заполнена металлом. Шлак, по-
падающий нз вагранки, задерживается у этого сифонного уст-
ройства, всплывает наверх и спускается через боковой жело-
бок, а чугун, поднимаясь по сифоне, стекает прямо по основ-
ному жолобу. Для спуска металла из сифона после окончания
работы предусмотрено специальное спускное отверстие. Пос-
ле отделения шлака чугун попадает в копильник и может быть
там обработан содой для понижения содержания серы. В этом
случае целесообразно футеровать копильник основными огнеу-
порными материалами. На том же принципе возможно устрой-
ство шлакоотделейня в самой вагранке с установкой двух ко-
пильников; одного для чугуна, другого — для шлака (рис. 395).
Для предохранения чуцуна от охлаждения иногда' устраи-
вают копилЫН1КЦ, отапливаемые мазутом, угольной пылью или
электрическим током. Устройство нефтяной форсунки в копиль-
нике. примененное для получения ковкого чугуна па Кировском
заводе, показано на рис. 398.
Плавильные печи и режим плавки в них
639
В качестве другого примера на рио. 396 показана разбор*
на'я качающаяся печь, отапливаемая угольной пылью. Для
увеличения интенсивности подогрева печь имеет неглубокую
ванну и соответственно продолговатую форму. С одного конца
установлена форсунка, а с другого конца отходящие газы на-
правляются через под-
вижную соединительную
муфту в трубу. Чугун из
вагранки непрерывно по-
дается в копильник и пе-
риодически выпускается
нз него путем соответст-
вующего наклона.
Подобного рода ко-
пильники могут быть
Рис. 397, Шлакоотделительпый жолоб
^расчет его см. стр. 665)
устроены также с элект-
рическим подогревом, при-
чем, согласно литератур-
ным' данным, подогрев этот можно осуществить п в горне ваг-
рапки (рис. 399).
Во всех случаях копильники футеруются высококачествен-
ным огнеупорным кирпичом, причем для уменьшения потерь
тепла целесообразно устройство кладки с надлежащей паоля-
Рис. 39Я. Устройство копильника с подогревом ни Кировском ваподс
цией (прокладка асбестом, применение TenfloiiisojiHiUioiiHoro
кирпича и т, д.).
. Во избежание излишнего охлаждения чугуна желоб должен
быть всегда минимальной длины (0,7—1,2 м). Он делается
640
Плавка чугуна
Ряс. 399, Комбинация вагранки с
высокочастотным подогревом чу-
гуна
обычно из мягкого железа, обмазывается огнеупорной глиной,
а в больших вагранках выкладывается лещадкой и крепится
шарнирно или на клиньях к кожуху, к дверцам вагранки или
к копильнику (рис. 387). Для лучшего стока чугуна жолоб
имеет наклон около 1 %. Шлаковые желоба устанавливаются
сбоку или с противоположной
стороны и имеют еще мень-
шую длину (0,2—0,5 .и), но
больший наклон и чаше всего
делаются литыми чугунными
(без футеровки).
Чугунная и шлаковая лет-
ки должны быть сделаны так,
Чтобы они не замерзали, легко
открывались и сохраняли свои
размеры в течение всей плав-
ки. В зависимости от размеров
вагранки диаметр чугунной
летки колеблется от 12 до
40 лиц а шлаковой — от 35 до
50 мм, При установке чугун-
ной летки целесообразно иметь
два отверстия, из которых од-
но (верхнее) является запас-
ным и открывается в случае
замерзания металла в нижней
летке. По истечении некоторо-
го времени подина копильника
или вагранки подогревается,
после чего становится возмож-
ным пробить и нижнюю летку.
Чтобы воспрепятствовать
замерзанию металла в узкой
летке, рекомендуется делать
конусообразные расширения
с обеих сторон, причем наруж-
ный конус необходим также для того, чтобы легче было закры-
вать летку глиняной пробкой, так как в противном случае острые
края отверстия срезают глину. Между обоими конусообразными
расширениями должна быть цилиндрическая часть достаточной
длины, чтобы она не разъедалась в течение плавки, иначе струя
чугуна становится слишком большой и в этом случае необходимо
переходить на вторую запасную летку. Точно так же и разъе-
дание шлаковой летки приводит к нарушению нормального хо-
да плавки и к выбросу большого количества газов и кокса.
Плавильные печи и режим плавки в них 641
Поэтому в некоторых случаях, когда имеет место длительная
плавка или непрерывный выпуск шлака, применяют охлаждае-
мые водой металлические летки для спуска шлака.
Чугунная летка располагается на уровне пода вагранки
или копильника. Для обеспечения хорошего стока металла под
имеет уклон от 4 до 8%, а у стенок печи —рткосы с радиусом
закругления около 50 мм. Под меняется каждый раз после
плавки п набивается обычно из сухой формовочной смеси хоро-
шей газопроницаемости толщиной 150—180 лш. Набивку ведут
тщательно, отдельными слоями по 25--50 мм. Точно также
и в копильнике под чаще всего делается набивной, хотя здесь
он иногда бывает и кирпичный.
Шлаковая летка помещается на 100—300 мм выше чугун-
ной в зависимости от количества накапливаемого металла.
Шлак спускают обычно в яму, ковш нли специальную вагонет-
ку. В современных литейных шлак подвергают грануляции
струей воды в колобе или в специальной яме с водой, в кото-
рой установлен дырчатый железный ящик, пропускающий во-
ду и задерживающий гранулированный шлак. По мере запол-
нения ящика, он вынимается из ямы, шлак из него выгру-
жается и отправляется на склад нли место свалки
г) Опорные устройств а., Опорными устройствами
вагранки являются днище, подовая плита, колонна и фунда-
ментная плита (рис. 387). Вся тяжесть вагранки (вес кожуха,
футеровки и шихты) полностью воспринимается только колон-
нами и фундаментной плитой. В качестве последней служит
обычно чугунная 20-лш плита, равномерно передающая давле-
ние на фундамент. Одна'ко' в большинстве случаев обходятся
без плиты, колонны устанавливаются непосредственно
на фундаменте. Материалом для колонн, имеющих тавровое,
двутавровое или полое цилиндрическое сечение, служат сталь
или чугун, причем их делают иногда изогнутыми, чтобы рас-
ширить рабочее пространство под вагранкой, хотя это нельзя
считать целесообразным. С той же целью колонны выносятся
вместе с днпшем за габариты кожуха вагранки. Высота колонн
для удобства работы должна быть не менее 0,8—1,0 jk.
В противоположность колоннам, днище н подовая плита
воспринимают только небольшую часть общего веса вагранки.
Поэтому подовая плита, несмотря на работу на изгиб, делает-
ся обычно из чугуна и имеет толщину около 30 мм. Днвше же
делается из мягкой стали. В больших и даже средних по вели-
чине вагранках оно состоит нз двух створок, просверленных
для облегчения вывода газов из набивной подины. По сообра-
। Вопрос о грануляции гиляка и:-)Лагается более подробно в курсе
^Оборудование литейных цехов».
41 Зак. 805
*542
Плавка чугуна
жениям техники безопасности днище больших вагранок кроме
затворов подкрепляется еще подпорками и может быть откры-
то на сравнительно большом расстоянии путем использования
блочной системы.
д'/ И с к р ога о и те л и, Пожарная опасность, обусловлен-
ная большим количествам искр, уносимых ваграночными газа-
ми в трубу, делает необходимой установку искрогасителей, ко-
торые одновременно являются и пылеулавливателями. Сущест-
вует два основных типа искрогасителей — мокрые и сухие
(рис, 387)'.
В первом случае газы, поднимаясь из вагранки, ударяются
о зонт и опускаются вниз, затем вновь поднимаются и встречают
дождевую завесу, образуемую разбрызгивателем (рис, 387,а).
Благодаря этому искры гасятся, а пыль оседает на бетониро-
ванное дно искрогасителя, откуда она может быть удалена
через спускную трубу. Однако, это устройство в наших клима-
тических условиях мало пригодно из-за замерзания воды и ее
смеси с пылью. Поэтому в советских литейных получили рас-
пространение, главным образом, сухие искрогасители, работаю-
щие. на принципе изменения направления и скорости газов
(рис. 387,6),
Сухие искрогасители делятся на' камер к ы е и ц и л и н-
д р п ч е с к и е. Камерные искрогасители работают хорошо, но
страдают тем недостатком, что утяжеляют перекрытие завалоч-
ной площадки и поэтому сейчас уже не применяются. Цилиндри-
ческие же искрогасители (рис. 387, б) значительно легче по
конструкции и могут быть установлены как над крышей, так
и под крышей завалочного помещения. Газы в этом случае вы-
ходят из трубы через ряд окон, меняют направление и подни-
маются вверх. Пыль, оседающая в пространстве между вагран-
кой и конусом искрогасителя, удаляется через спускную трубу.
Подобных конструкций предложено много, но все они действуют
по одному и тому же принципу.
2. КОНСТРУКЦИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВАГРАНОК
В настоящее время существует ряд специальных вагранок,
имеющих целью получение чугуна с особо высокой температу-
рой или с низким содержанием углерода, или же работающих
не на обычном топливе. Эти вагранки отличаются специальны-
ми конструктивными особенностями.
а) Влграпкн с трех- и четырехрядными фур-
мами и б а л а н с н р о в а п н ы м дутьем. Благодаря рабо-
там В. П. Чернобровкина, Л. М- Марнспбаха, Флетчера и др.
в настоящее время доказано, что дополнительный подвод возду-
ха в вагранку путем устройства двух или трех добавочных ря-
Плавильные печи и режим плавки в них
643
дов фурм способствует в ряде случаев более равномерному рас-
пределению потока газов по сечению вагранки и более полному
их сжиганию. При этом большое значение имеет правильное
распределение воздуха между основными и добавочными ряда-
ми фурм н правильное расположение этих рядов по высоте
вагранки.
В результате этих исследований Л, М. Мариенбахом предло-
жена конструкция вагранки, показанная на рис. 400. Особен-
ность этой вагранки
заключается в уст-
ройстве трех или
четырех рядов фурм,
из которых нижний
является основным,
а остальные—доба-
вочными. Главная
масса воздуха (око-
ло 75%) проходит
через нижние фур-
мы, причем индиви-
дуальные задвижки
у каждой из них
позволяют в изве-
стных пределах из-
менять соотношение
между воздухом,
проходящим через
основной и добавоч-
Рнс. 400. Устройство трехрядиых фурм
ные ряды фурм. Кроме того, можно также выключать пооче-
редно и последовательно каждую из фурм нижнего ряда, чтобы
очищать их от шлака.
Эта вагранка характеризуется более высоким коэфициентом
полезного действия, более низким расходом кокса (на 20%),
более высокой производительностью (на 25—30%), повышенной
температурой чугуна (на 20—25°) и большим коэфициентом
сгорания ( iQv ):
Обычная вагранка .
Трехрядная вагранка
СО, % СО„% f,^rn
15,0 12.0 44.5
5,0 18,0 78,0
Считая, что увеличение содержания СО? в газах происходит благодаря
догоранию СО за счет воздуха добавочных фурм. Л. М. Мариенбнх опреде-
лил. что количество воздуха, подаваемое через верхние ряды фурм, должно
составлять около 25% от общего количества лсгья, Пон этом пепхине ряды
ферм должны быть расположены недалеко От нижнего основного ряда,
чтобы не создавать нового очага горения углерода кокса, как это наблю-
далась обычно в старых конструкциях (именно это в значительной степени
дискредитировало идею многорядных вагранок). В связи с этим рекомен-
41*
1
644
Плавка чугуна
дуются следующие основные данные для проектирования трехрядных
sаграиок:
'1|глк|У1р цзграйкн PilCCJMilllU, лг.» Углц шосл.'пл фурм Г|.ид. ’ Отношение се- чения ф^рм к емт» иагранКИ
между | и 11 рлдьми фурм между 1] 11 Ш puuiMk Фу pxi i !-яд II ИД III ры
600—900 250—280 256—280 5 10 15 1 :3,5
1000—1200 2K0—410 280—310 5 10 15 1:1,0
1300 и больше 310-340 31U—340 5 10 15 1; 4,5
К вагранкам подобного типа следует отнести также конструкция, а кото-
рых добавочный воздух подается отдельными патрубками на разном рас-
стоянии от основных рядов фурм. Однако, эти вагранки из-за сложности
устройства не получили распространения.
б) Вагранки для получения малоуглероди-
стого ч у г у н а. Кожтрукции вагранок для получения мало-
углеродистого чугуна разработаны, главным образом, в СССР
и предусматривают сильное уменьшение высоты горна1 или даже
его полное уничтожение, С этой велыо применяются две основ-
ные конструкции, предложенные Н. Г. Гиршовичем и С. Ф. Гор-
буновым. В одной из них под вагранки поднимается до уровня
фурм, а в другой горн заполняется каким-либо инертным мате-
риалом (рис. 367). При плавке в таких вагранках можно полу-
чать чугун с содержанием углерода до 2,2%.
в) Вагранки с подогревом дутья. Подогрев дутья
является одним из наиболее эффективных способов увеличения
коэфициента полезного действия вагранки и повышения тем-
пературы жидкого ваграночного чугуна. Существует много
конструктивных предложений по устройству подогрева дутья
Однако, практическое применение получили только некоторые
из них, так как рационально действующие конструкции должны
не только иметь высокий коэфициент полезного действия и обес-
печивать надлежащую температуру подогрева воздуха, но дол-
жны быть также дешевы в строительстве и эксплоатации, удоб-
ны в отношении чистки и стойки в условиях воздействия рабо-
чих температур.
Впе зависимости от идей конструктивного оформления суще-
ствующие системы для подогрева дутья могут быть разделены
на следующие три типа':
1) установки, утилизирующие физическое тепло ваграночных
газов,
2) установки, утилизирующие физическое и химическое теп-
ло ваграночных газов.
Плавильные печи и режим плавки в них
645
Мзапяция
имяко&ш
gamou ЬОнм
Шамвто&ая
набиОНа
Опорное
№лЬцо
Риг. 401. Установка для подогре-
ва воздуха на Песковском заводе
3) установки, работающие на отдельных топках без исполь-
зования тепла ваграночных газов,
Установки первого типа являются наиболее Деловыми, но
обеспечивают небольшой подогрев воздуха—‘В пределах 100—
150°. Подобная конструкция представлена на рис .401. Воздухо-
нагреватель в данном случае выполнен в виде трех чугунных
секций толщиной 20—30 мм,
установленных в шахте ва-
гранки на расстоянии 2 м от
колошника. Воздух последова-
тельно проходит все три сек-
ции и поступает в фурмы при
температуре 100—150°, Тем-
пература жидкого чугуна, по
данным И. О. Ципина, подни-
мается при этом на 30°, про-
изводительность вагранки по-
вышается па 13%, а расход
топлива снижается на 30%,
Однако, столь большое улуч-
шение работы вагранки вряд
ли может быть следствием од-
ного только подогрева воздуха
до 100—150°,
Более эффективными явля-
ются установки второго типа,
использующие не только физи-
ческое, но и химическое тепло
ваграночных газов, что спо-
собствует также оздоровлен шо
атмосферы вокруг литейных
(уменьшение концентрации
СО). С этой точки зрения по-
добные установки интересуют
ботников по охране труда.
Технические преимущества установок второго типа ясны
из того, что химическое тепло отходящих газов примерно вдвое
превышает физическое (35% от общего количества тепла про-
тив 16%). Поэтому при полном использовании тепла отходя-
щих газов возможно повышение температуры подогрева воз-
духа до 350° и выше, что имеет следствием более высокий
перегрев жидкого чугуна.
Недостатками этих установок являются их сложность, доро-
говизна и некоторая инерция, требующая известного времени
после пуска вагранки для установления нормального режима
ПЛ clBKj [-
только литейщиков, но и ра-
646
Плавка чугуна
В качестве примера такой системы можно привести уста-
новку, построенную по проекту И. М. Лемлех и 3 Д Левина
(рис, 402),
Воздухонагреватель вертикального типа состоит из 179
стальных труб диаметром 51 мм с поверхностью пагрсва 75
Рис. 402. Вагранка с подогревом воздуха на Ленинградском карбюраторном
заводе
и обслуживает вагранку диаметром 640 мм. Газы вагранки от-
бираются эксгаустером на высоте 1400 мм от колошника и пос-
ле дожигания (опыт показал полную устойчивость горения ваг-
раночных газбв) проходят внутри труб сверху вниз, что облег-
чает очистку системы и улучшает теплопередачу,
Воздух от вентилятора направляется через воздухонагрева-
тель по принципу противотока и после соответствующего подо-
грева поступает в фурмы вагранки. Вследствие применения
углеродистой стали для труб воздухонагревателя температура
воздуха не может превышать 300°. Однако, и в этом случае
получилось уменьшение расхода кокса на 18—23%, при соот-
ветствующем повышении производительности, и увеличение
температуры чугуна па 20—25°. В дальнейшем можно было бы
добиться еще лучших показателей. Изготовление же воздухо-
нагревателя из жаростойких труб дало бы возможность полу-
Плавильные печи и режим плавки в них
647
чать еще больший подогрев воздуха и' большую эффективность
работы установки.
На вагранке ЦНИИТМАШ диаметром 620 мм установлен
игольчатый чугунный воздухонагреватель. Газы отсасываются
эксгаустером при разряжении 60—75 мм вод. ст. на расстоя-
нии 1500 мм от колошника, причем выше этого уровня вагран-
ка не загружается во избежание сильного засорения установки.
После камеры сжигания газы поступают в воздухонагреватель
и омывают его трубы снаружи, в то время как воздух прохо-
дит внутри труб, нагреваясь до 300—350° через 45 мин. после
пуска установки. При этом достигается температура чугуна
1380° при расходе кокса 9%. Движение газов между трубами
затрудняет очистку и менее удобно, чем движение газов внутри
труб. На том же принципе была построена установка па заводе
«Свет шахтера», с той только разницей, чго вместо трубчатого
воздухонагревателя был применен пластинчатый горизонтального
типа, что следует считать мало удачным з виду его быстрого
засорения. Недостатком устройства являлось также непредусмот-
ренные в проекте улавливание пыли и возможность очистки воз-
духонагревателя, Температура подогрева воздуха была сравни-
тельно невелика (около 220°), но несмотря на это перегрев
чугуна повысился на 60°, а расход кокса уменьшился на 25%.
На рис, -103 показана схема работы вагранки Гриффина. Ваграночные
газы отсасываются в этой установке в количестве около 40—50%, дожи-
гаются и поступают в камеру распределении при 850°, выше чего темпера-
туру поднимать не следует во избежание быстрого разрушения воздухо-
нагревателя. Проходя через две или три секции чугунных труб газы уда-
ляются эксгаустером при температуре 200—260°, соответственно нагревая
гоздух, проходящий между трубами, до 3!5—420°.
Вагранка диаметром 1900 мм, оборудованная таким воздухонагревателем,
дает в час 28 г чугуна, т. е. около 10 т/м? час, расходуя 7,5% кокса
и обеспечивая получение чугуна с высоким перегревом. Хотя эти данные
и являются рекламными, они все же иллюстрируют в некоторой степени
выгоду подогрева воздуха.
На принципе дожигания газов основана также конструкция
вагранки Е. С. Хомудес (рис. 404). В отличие от ранее описан-
ных конструкций, воздухонагреватель из стальных труб поме-
щается в этом случае в трубе вагранки и не требует особого
места1 (в ЦНИИТМАШ такой воздухонагреватель сделан в ви-
де игольчатых секций к дает подогрев воздуха до 1500° при
расходе кокса в 15—18%). Установка1 предусматривает воз-
можность компенсации от расширения. Количество воздуха для
сжигания газов регулируется посредством специального шибе-
ра. Подогрев воздуха возможен до 350° выше. Температура
чугуна достигает 1420° при расходе кокса в 12—14%.
Несмотря на большую экономичность установок с использо-
ванием физического и химического тепла ваграночных газов,
648
Плавка чугуна
в некоторых случаях, когда нужна более высокая температура
подогрева воздуха (450—60СР), а также при непродолжитель-
ных плавках, оказывается целесообразным пользоваться воз-
духонагревателем с самостоятельной топкой. Эта конструкция
проще, обеспечивает постоянство температуры воздуха, притом
с самого начала плавки, и уменьшает капиталовложения при
постройке. Общий вид такой установки с трубчатым воздухона-
гревателем показан на рис. 405. Однако, по мнению Э. Я. Храп-
ковского игольчатый воздухонагреватель (рис, 406) имеет преи-
мущества, так как при одной и той же температуре нагрева воз-
духа дает меньшую температуру стенок и не требует поэтому для
постройки дефицитного и дорогопо жаростойкого материала.
Секции игольча'того воздухонагревателя могут быть отлиты
из хромового чугуна (1,2—1,5% Сг) пли силала. Преимущества
такого воздухонагревателя превосходят некоторые его недостат-
ки (большой объем и вес), как это видно из следующего сопо-
ставления ВИСХОД1 для вагранки диаметром 6Q0 мм.
Тип поэл vx (Hiarpc- вателя Темп рнту* ра ндгреид вовдуха. Темиеротуре воздух ,uar|ie- ватвд я, "С Поверх- ность наг- рева, А* Объем системы, л* Нес системы
Трубчатый . . 400 565 20 6 500
Игольчатый . 400 440 9 9 1800
Плавильные печи и режим плавки, в них
649
Поэтому использование игольчатых воздухнагревателей яв-
ляется целесообразным. При сравнительно небольшой произво-
дительности они состоят, как видно из рис, 406, из двух верти-
кальных колонок. В каждой из них помещены по две секции
Рис. 404. Вагранка завода
«Станколит» с воздухона-
гревателем системы
Е. С. ХомудеС;
1 — секции: 2 — Н|)Ж1г(1Й кол*
лектор; 3 — труба горячего воз-
Рис, 405, Установка для подогрева воз-
духа без использования тепла ваграноч-
ных газов
игольчатых труб. Система работает
в данном случае по принципу про-
тивотока. Дымовые газы, разбав-
ленные воздухом с целью пониже-
ния температурь! до 1000°, проходят
вверх внутри труб в первой колон-
ке и затем спускаются вниз по вто-
рой колонке (направление газов
внутри труб облегчает очистку).
Воздух же, наоборот, поступает
В НИЖНЮЮ часть второй КОЛОНКИ
и, обтекая внешнюю игольчатую
поверхность труб, спускается вниз
духа; 4 — компенсатор телеско-
пического типа; 5 — патрубки
горячего воздуха; 6 трубка
хололгнэго воздуха; 7 — scpxraiA
коллектор; 8 ________ шибер
по первой колонке, откуда направ-
ляется в коллектор вагранки. Расход топлива в такой установке
производительностью 2700 м3!час не превышает 180 кг!час. что
составляет примерно около 3—5% от веса проплавляемого ме-
талла.
Так ка'к коэфициент полезного действия воздухонагревателя
(0,65—0,85) выше, чем вагранки (0,35—0,45), то вся установка
6а0
Плавка чугуна
в целом является рентабельной, и топливо, расходуемое в топ-
ке воздухонагревателя, с избытком окупается экономией кокса
в вагранке.
Следует отметить, что благодаря подаче горячего дутья
в вагранке развиваются высокие температуры, что ведет к силь-
ному разрушению кладки. Поэтому ВИСХОМ рекомендует
Рис. 40S. Игольча-
тый воздухонагре-
латель с самостоя-
тельной топкой си-
стемы ВИСХОМ
производительно-
стью 2700 м3 воз-
духа в час (темпе-
ратура нагрева
воздуха 400—450е)
устройство в кладке специальных водоохлаждаемых кессонов
(рис. 407). Такие устройства целесообразны также и в других
случаях, когда необходима продолжительная плавка в вагранке.
г) Вагранки с контролированием воздуха
по количеству и составу. Правильный режим работы
вагранки и получение равномерного по составу и температуре
жидкого чугуна требует соответствующего контроля количества
и состава подаваемого воздуха, Между тем даже поршневые
вентиляторы, в лучшем случае, подают в вагранку более или
Плавильные печи и режим плавки в них
651.
менее одинаковым объем воздуха вне зависимости от его тем-
пературы, а значит и веса, b то же время известно, что вес
данного объема воздуха может сильно меняться в зависимости
от его температуры и давления, а именно;
(j = 1,293 = 0,466 -- кг!м\
760 Т Т
где 1,293 — вес 1 м’ воздуха при давлении 760 мм рт, ст. и
273° К.
Разница в весе подаваемого количества воздуха при одном
разных давлении и температуре
(201)
Рис. 407. Устройство водоохла-
жлнемых кессонов в вагранке
с подогревом дутья
anfeJs^a™'
ХЛй»
И том же объеме его, но при
может быть значительна (до
30% и больше). Поэтому пред-
ставляет интерес установка
с автоматическим регулирова-
нием весового количества воз-
духа, подаваемого вентилято-
ром. Это осуществляется со-
хранением постоянной мощно-
сти, а при данном напряже-
нии — сохранением постоянной
силы тока в цепи мотора. Для
этого в трубопроводе устанав-
ливается поворотный шибер
(рис. 408), Как только мощ-
ность, потребляемая вентиля-
тором, превзойдет заданную,
соответствующее реле включает
ток в цепь небольшого мотора
уменьшая таким образом объем подаваемого воздуха до тех
пор, пока потребляемая вентилятором мощность не станет нор-
мальней.
При одном и том же весовом количестве воздуха состав его может
значительно меняться, в особенности в отношения содержания влаги, что при
мелком и ответственном литье, например при поршневых кольцах, приво-
дит иногда к браку отливок.
КоличестЕ!о пиеюв воды, вносимое воздухом в вагранку во влажные
и теплые дни, очень велико. Например, при плавке в вагранке диаметром
1 м потребляется обычно около 100 м3 воздуха в I мин. Считая нормальное
содержание влаги 6 г/.и3, получим общий вес паров воды, подаваемой
и вагранку за 8*часовую плавку
1110 би • 8 -6
----—------ - =300 кг.
шибера, который поворачивается,
1000
Пои повышенной влажности этот вес паров воды, поглощаемый вагран-
кой, может быть увеличен в несколько раз. Поэтому кажется пелссооОраз-
ным установление контроля влажности воздуха, т. е. его кондиционирова-
ние. К сожалению, однако, такие установки еще не получили практического
применен ня.
.652
Плавка чугуна
Значительный интерес представляют установки с регулиро-
ванием состава воздуха в отношении • содержания кислорода.
Такая установка с обогащенным дутьем успешно работает
на заводе «Динамо». При расходе 25—50 лгз кислорода на 1 т
Рис, 408, Поворотный шибер трубопровода с автоматическим регулиро-
ванием весового количества воздуха
металла удается вести плавку при 8% расхода кокса и полу-
чать чугун с температурой перегрева около 1400°, При этом
угар и содержание серы уменьшаются, а производительность
вагранки повышается (до 10 т/м2 час).
д) В а1 гранки на жидком, газообразном и пы-
левидном топливах. Частичная или полная замена кокса
в вагранке жидким, газообразным или пылевидным топливом
давно привлекает внимание литейщиков, Эта замена имеет
целью повысить перегрев жидкого чугуна, понизить содержание
серы, более уверенно регулировать содержание углерода в ме-
талле, в частности, получать малоуглеродистый чугун, но соот-
ветствующие устройства не получили еще промышленного раз-
вития.
При комбинированной плавке на коксе и жидком, газообраз-
ном или пылевидном топливе, горючее подается непосредственно
в фурмы или несколько выше и, концентрируя тепло в области
горения, повышает температуру чугуна, чему способствует так-
же увеличение светимости газа. Примером подобной установки
может служить устройсд во на заводах «Металлоконструкция»
и «Борен» для подачи угольной ныли в область горения
вагранки (рис, 409),
Угольная пыль подается обычно под давлением 2—3 ат
и при расходе в 1—2% дает значительное снижение расхода
Пл а аильные печи и режим плавки в них
653
е должно быть околи i/u мм.
Рпс. 409. Установка для подачи угольной пы-
ли в вагранку
кокса, а также повышение температуры чугуна и производи-
тельности вагранки. Значение при этом имеет расстояние меж-
ду форсунками для вдувания угольной пыли и воздушными
фурмами. Это расстоя! " ”
больших расстояниях
угольная пыль не сго-
рает полностью, при
слишком малых — па-
дает производитель-
ность вагранки.
В других случаях
устраиваются специ-
альные камеры для
сжигания угольной пы-
ли, которая подается
воздухом под давле-
нием 2—4 ат, Вторич-
ный воздух подается
сверху в камеру из
воздушной коробки.
Подобные устройст-
ва были предложены
и для подачи жидкого
топлива и газа. Таким
путем был использо-
ва'н, например', при-
родный газ с тепло-
творной способностью
10 000 Кал-мл. После
неудачных попыток
подвести газ непос-
редственно в плавиль-
ную зону, а затем в фурмы, было найдено, что наилучшие
результаты получаются при подаче газа в воздухопровод на
расстоянии 1 м от воздушной коробки, что обеспечивает хоро-
шее смешение газа1 с воздухом. При этом расход кокса был
снижен до 4%. Производительность вагранки выросла на 40%,
я температура металла на жолобс достигла [450°. Недостат-
ком этого способа является взрывоопасность смеси.
В другом случае при использовании природного газа
(Q„ =8450 Кал/м*) горелки были установлены на расстоянии
300 мм над фурмами. Регулирование факела производилось из-
менением соотношения между первичным и вторичным возду-
хом. При расходе газа 90 м^чос расход кокса в вагранке
диаметром 600 мм был снижен с 14 до 7% при одновременном
654
Плавка чип]на
Рис. 410. В.чграпка с заменой части кокса
газом и с подогревом воздуха
повышении температурь! чугуна и увеличении производитель-
ности.
Из загрдцичпцх установок подобного рода можно указать лд вагранку,
в которой сочетаются подогрев воздуха и замена части кокса ( ~ SO*1/»)
газом (рис. 4(0),
Воздух от вентилятора направляется частично в генератор, частично в
фурмы вагранки. При этом воздух подогревается за счет генераторного
газа, и поступив в воз-
душную коробку, рас-
пределяется между
верхней и ^нижней'
фурмами. Последняя
служит горелкой, в
центр которой поступа-
ет горячий газ, а по
периферии •— воздух.
Большие затруд-
нения встречаются
при полной замене
кокса жидким, газо-
образным или пыле-
видным топливом,
так как при этом от-
сутствует холостая
колоша, поддержи-
вающая столб ших-
товых материалов, Конструктивное решение задачи в этом
случае осуществляется посредством бокового размещения гор-
на, служащего одновременно камерой сгорания, или путем при-
менения инертной холостой колоши.
Прототипом конструкций первого рода может служить печь Петрашее-
ского. работающая на жидком топливе (рис. 4ц), Жидкое топливо подается
в камеру сгорания при помощи трех форсунок. Вместе с мазутом подается
воздух под давлением 350—400 мм. Продукты горения, перевалив через
порог, поступают в копильник, расположенный сбоку от вагранки. Завал-
ка производится, как обычно, сверху, причем вместе с металлической ших-
той заваливается 2—3% дров или кокса для некоторого разрыхления сточ-
ба шихтовых материалов и создания более восстановительной атмосферы,
препятствующей большому угару.
По сообщениям Л, Л. Шварцмана и А. М, Мусаелян эта вагранка ха-
рактеризуется низким коэфициентом полезного действия (12—2O"/o) вслед-
ствие высокой температуры отходящих газов (000—1000° 1, расходует много
топлива (12—14% мазута) и не обеспечивает получения чугуна высокой
температуры (выше 1380°) Кроме того, при плавке не удается получать
чугун постоянного состава н с пнзкнм содержанием углерода. Печи эти
имеют поэтому. малое распространенно, однако, работают еще в нефтяных
районах в условиях дефинитного кокса,
В последнее время, по инициативе советских литейщиков,
уделяется большое внимание созданию рациональной конст-
рукции газовой вагранки- По проекту «Оргмета'лла» на заводе
«Бакинский рабочий» построена вагранка по схеме рис. 412.
Плавильные печи и режим плавки в них
655
Вагранка работала на природном газе (QtI —8000 Кал/м^)
и подогретом воздухе. Для этой цели служит воздухонагре-
ватель, установленный в трубе вагранки, откуда воздух посту-
пает в коллектор, а затем в горелки. Газ же поступает в го-
релки из нижнего коллектора, Для поддержания столба ших-
товых материалов служит холостая колоша из етествен-
ного корпуда, в насадке которого происходит горение газа,
Поверхностное сжигание позволяет применять теоретическое
количество воздуха и высокое тепловое напряжение до 7300000
Кал/м3ча'с. Результаты плавки весьма удовлетворительны, од-
нако стойкость корнуда оказалась недостаточной. Поэтому
необходимы дальнейшие опыты по изысканию огнеупорного ма-
териала, пригодного в указанных условиях.
По несколько другому принципу А. К, Фанбуловым запро-
ектирована установка для обычного газогенераторного газа
(рис. 413). Вследствие низкой теплотворной способности газа
предусмотрен подогрев как воздуха, так и газа, без чего невоз-
можно получать чугун с достаточно высокой температурой.
Установка состоит из вагранки, газогенератора, мокрого
скруббера для очистки газа и сухого фильтра для сушки газа.
Подогрев воздуха до 350—450° происходит в кладке вагранки,
а подогрев газа — в кладке газогенератора. Для обеспечения
высокого подогрева воздуха производится подсос горячих газов
из ип ж пей зоны шахты. Отсюда они поступают в трубы возду-
хонагревателя и выходят из них в верхних частях шахты.
656
Плавка чугуна
Рис. 4[2. Газовая
вагранка системы
Орга металл а
Общий ВИД вагранки, построенной А. Балашовым и Ф. Же-
лезняковым, показан на рис. 414. Горение газогенераторного
газа происходит здесь в отдельной камере, а дожигание произ-
водится на шамотной насадке в нижней части шахты, покоя-
щейся на несущих сводах, Жидкий металл,
перегретый в насадке, стекает н горн. It от-
туда выпускается по мере надобности.
Вагранка работает без подогрева воздуха
и газа, что возможно вследствие теоретиче-
ского расхода воздуха благодаря поверх-
ностному сжиганию. Однако, чугун в этой
вагранке получается с невысокой темпера-
турой перегрева в 1300—1350°.
Разработка удовлетворительно работаю-
щей газовой вагранки представляет большой
интерес. Над решением этой задачи должна
интенсивно работать рационализаторская
мысль инженеров и рабочих.
е) Вагранки на тверд ы х заме-
ни т е л я х кокса. Плавка на твердых
заменителях кокса широко изучена и полу-
чила применение, главным обра'зом,
в СССР. При этом некоторые заменители
(антрацит, термоантрацит, пекококс) могут
быть признаны вполне полноценными и уве-
ренно рекомендованы для получения
качественного чугуна. Плавка на этих заме-
нителях освоена нашими литейными и при-
меняется в значительном объеме. Другие
заменители (древесный уголь, торф и даже
торфяной кокс) не являются полноценными
и не обеспечивают получения достаточно
высокой температуры чугуна. Поэтому
плавка на этих видах топлива является слу-
чайным явлением.
И в том и в другом случае, в зависимо-
сти от ведения плавки на мало- или высо-
кореакционпых заменителях кокса, она
может производиться в вагранках обычной конструкции. Сле-
дует отметить, что при плавке на высокореакционном топливе
желательно иметь большую высоту вагранки (больше 4 м’) для
лучшего подогрева шихты. С целью прогрева подины расстоя-
ние фурм от пода должно быть небольшим, причем фурмам
следует придавать некоторый уклон вниз. Давление и количе-
ство воздуха должны быть уменьшены против того, что
Плавильные пени и режим плавки в них
657
Рис. 41S, Схема установки газовой вагранки системы А. К, Фанбулова
является нормальным для плавки на коксе. Со-
ответственно уменьшается и сечение фурм. Же-
лателен также некоторый подогрев воздуха для
повышения температуры чугуна и уменьшения
расхода топлива.
При применении малореакционного плотное
топлива приходится, наоборот, уменьшать высоту
вагранки во избежание образования большого
противодавления, повышать дав-
ление дутья и увеличивать сече-
ние фурм. Рекомендуется уст-
ройство заплечиков над фурма-
ми на высоте, равной диаметру
вагранки, с тем чтобы уменьшить
сечение вагранки у фурм пример-
но па 40% против сечения шах-
ты. Такое уменьшение сечения
приводит к более глубокому про-
никновению газов к центру ва-
гранки и к лучшим условиям
горения.
По данным Г. М. Никитина,
производительность вагранок
диаметром 0,5—1,0 м падает при-
мерно па —25% при пере-
ходе с кокса на антрацит, что
объясняется увеличением проти-
42 Зпк. 805
Рис, 414. Газовая вагранка систе-
мы А. Балашова в Ф, Железня-
кова:
t — окно ля% розжига; 2 — (метровые
окна; 3 — газовые горел*и; 4 — смеси*
тельная Кйсадзд» Б отражательные
сбоды; 6 —» окно; 7 —
рем«тмя дверка; 8 - несущие своды;
9 — Шлаковая летка-. 10 — чугунная
летка
6э8
Плавка чугуна.
Иклан Ы5
Рис. 415, Бессемеровская вагранка
для расплавления раскислителей
подавления вагранки и умень-
шением количества воздуха,
подаваемого центробежным
вентилятором.
ж) Бессомеровские
вагранки. Бессемеровские
вагранки отличаются тем, что
цикл плавки в них значитель-
но больше, чем н обычных ли-
тейных вагранках. Шихта их
состоит из раскислителей (зер-
кальный чугун, ферромарга-
нец), а иногда (при малом
бессемеровании) характеризует-
ся очень высоким содержанием
стального лома. Все это при-
водит к сильному разрушению
футеровки вагранки, которую
делают массивнее, чем в обыч-
ных вагранках. Во избежание
прорыва пода его устраивают
иногда на фундаменте, как в
доменной печи (рис, 415).
Чтобы удлинить срок служ-
бы бессемеровской вагранки
без ремонта, следует приме-
нять специальные холодиль-
ники, охлаждение кожуха
водой, а также охлаждаемые
водой шлаковые летки,
В остальном конструкция
этих вагранок принципиально
не отличается От обычных.
3. РАСЧЕТ ВАГРАНОК
Расчет вагранки сводится обычно к определению ее основ-
ных размеров. До сих пор основанием для расчета служат эм-
пирические формулы, выведенные из конструктивных данных
хорошо работающих вагранок. Эти формулы нс учитывают мно-
гих факторов в их взаимной связи (качество п количество топ-
лива, количество и температура дутья, состав и происхождение
шихтовых материалов и т. Д-Б Поэтому они не могут давать
оптимального решения — каждая формула предоставляет ши-
рокий выбор размеров, в пределах которых можно получать
хорошие результаты.
Ji ‘ Плавильные печи и режим плавки в них 659
|^к- а) Определенно диаметра1 вагранки, Пользуясь
। в/данными табл, 52, можно рассчитать удельную пронзводитель-
; S ность, а следовательно, и диаметр вагранки по заданному рас-
Ш ходу воздуха и кокса. Если же расход воздуха и кокса пеиз-
К вестей, можно принять удельную производительность вагранки
К в пределах 5 —G—8 т!м'1час и диаметр в зависимости от этого:
1 ж;
I D = /й = 1-'2/| <202)
Ж где Q—-заданная производительность вагранки, т]час.
IK В очень малых вагранках практически не удается достичь
К большой удельной производительности вследствие частого зази-
К сания шихты, зашлаковывания фурм и других неполадок при
К плавке. Это не удается также и в вагранках очень больших раз-
[К меров в результате неравномерного распределения воздуха по
К сечению. В связи с этим можно рекомендовать следующие
Н съемы с квадратного метра в зависимости от диаметра или про-
V изводитсльности вагранки;
Диаметр, мм ..................... 500
Производительность, т/час . . 0,7
Съем с 1 д2, т/л^-час........... 3,5
700 960 ПОО 1300 1S0O 2200
2,5 5.0 7,5 101) |9,0 27,0
6,5 7.5 7,5 7,5 7,5 7,0
t б) Определение высоты вагранки. До сих пор
г не существует рационального метода расчета высоты вагранки,
г Расчет этот должен обеспечить использование физического тепла
‘ отходящих газов. В то же время высота вагранки, очевидно, не
L' должна превосходить определенной величины, опасной с точки
। зрения зависания шихты или размельчения кокса. Следует также
г. учесть, что с увеличением высоты вагранки возрастают расходы
' на постройку здания и подъем материалов и повышаются сопро-
тивление вагранки и давление дутья. В то же время теплотехни-
ческая эффективность при этом постепенно уменьшается, С этой
точки зрения нет смысла в чрезмерном увеличении этой высоты.
Наиболее распространенный способ определения полезной
высоты вагранки (На) основывается на простом соотношении:
-Ь- =. const (обычно в предел; х 4—б!.
Однако постоянство отношения высоты к диаметру пе мо-
жет быть выведено из принципа одинакового использования
тепла отходящих газов. При прочих равных условиях удовлет-
ворение этого требования может быть скорее осуществлено при
постоянной высоте вагранки:
42*
J
660
Плавка чугуна
При этом отношение будет падать с уменьшением диа-
метра вагранки.
Однако вследствие относительно больших потерь в малых
вагранках и опасности зависания шихты в них приходится
несколько уменьшать их высоту. Этому маилучшим образом
соответствует зависимость;
Яо
= 4,25. (203)
VI)
Существуют н другие методы определения /70,
Метод определения полезной высоты вагранки
времени пребывания в ней металлической шихты
(Оз айна), исходя из
и газов, заключается
в следующем;
Из формулы (182) следует, что;
Н = ХтГдО (203а)
где И—высота вагранки над поясом плавления, м;
S—удельная производительность вагранки, т/м2 - час;
Уш — объем всех шихтовых материалов на 1 т металла, м3;
а — коэфициент уплотнения шихтовых материалов в вагранке;
т — время схода колош, час.
Средний объем шихтовых материалов па 1 т
ределен из
состава
Чугун
чушко-
вый
ЛЛ яв-
ный
шихты
Чугун
чушко-
вый К ll-
ротки й
Нес i o', к/ ТОЮ 27№
и удельных объемов
Дом ни- _ ,
лиидро- •^11м .
вый средний легкий
2 ЮТ 1220 920
металла может быть оп-
составляющих.
На основе этих данных легко подсчитать,
что
Лом
печной Кокс Извест-
радиа- няк
торный
600 150 1450
значение Vin колеблется
в пределах 0,75—1,0 лАУ, причем меньшее значение соответствует наиболее
тяжелому литью, а большее — печному литью, Коэфициент уплотнения сле-
дует принимать в зависимости от характера шихты;
Шиита Тнже.шя Средняя Легкая
я 0,06 0,16 0,2»
Время схода колош ( т ) принимается пропорциональным количеству
воздуха, подаваемого па единицу чугуна 1. При этом в нормальных усло-
виях, при 12% расхода кокса, время схода колош определяется в 50 мин.
иди 0,84 час, С повышением же расхода кокса количество воздуха, считая
на единицу чугуна, увеличивается и соответственно возрастает время пребы-
вания шихтовых материалов в вагранке:
Расход кокса, И И Ю 12 14 16 18
т, час, 0,65 0,73 ЦД4 0,93 1,01 1,1л
На основе всех этих данных можно определить по формуле (203а) вы-
соту вагранки над поясом плавления (Н\, которую Озанн ошибочно рас-
считывает как полезную высоту (//о) 2.
। Принимая, что время схода колош должно зависеть от диаметра
вагранки, Л. И, Какурин рекомендует отношение
//= 1,1 ^ш(1—,
где IV — гипотетическая скорость движения воздуха в пустой вагранке,
числение равная удельному расходу воздуха, м^/м) мин.
* В связи с этим время схода колош, рекомендуемое Озаином, является
преувеличенным. На самом деле оно колеблется в пределах 0,40— 0,75 час.,
как эта можно вычислить по формуле (182) на основе данных табл. 5i
Плавильные печи и режим плавки в них
661
По другому методу высоту вагранки рассчитывают, исходя из условного
времени пребывания газов в пустой шахте, которое колеблется в следую-
щих пределах:
Вагран- Бсссемс- Литейные для равного литсп:
ни ронские ттнелого среднего мелкого тонного
^газ.сс)!, 6,5 4.1 3,7 3,3 3,1
Этот метод является чисто формальным. Если пренебречь разницей
в объемах газов и воздуха, то полезная высота вагранки определится,
следовательно:
_\V_
По--- тгаа ,
60
где IV — количество воздуха, подаваемого на I жг вагранки в I мин. Этот
метод расчета дает преувеличенные значения. При IV = [20 м^лРмин
и ~газ -= 3,7 сек. высота определяется в 7.4 м. Если же вместо IV взять
количество ваграночных газов, то расчетная высота получится еще больше.
Следует указать, что самый принцип определения времени пребывания
шихты и газов в вагранке должен быть отличен от того, что .рекомендуется
Озанном. Правильный метод расчета высоты вагранки должен обеспечить
достаточное использование тепла отходящих газов, Поэтому время пребы-
вания шихты в вагранке нужно рассчитывать на основе законов теплопе-
редачи с тем. чтобы температура отходящих газов не была выше опреде-
ленной величины.
Ближе всех к решению этой задачи подошел М. М. Карнаухоа, пред-
ложивший расчет полезной высоты на основе получения максимального
коэфициецта полезного действия вагранки. Однако положения, лежащие
в основе этого расчета, ввиду большой сложности существующих зависи-
мостей весьма упрощены и поэтому не лают точного решения задачи. Об-
щая формула, полученная при этом;
Яр ... К
показывает, что отношение высоты к диаметру является функцией одной
только плотности шихты (Я). На самом деле эта зависимость, конечно, более
сложна.
Согласно практическим данным высота вагранок разных
диаметров колеблется в следующих пределах:
D мм 500 700 900 НОЛ 1300 1810 2200
.« 2,5—3,5 3,0—4,5 3,0-5,0 3,5—5,5 4,0—6,0 4,5—7,0 5,0—7,5
Эти данные хорошо согласуются с формулой (203),
этом отношение колеблется в пределах 3,5—5,0
VD
и в среднем составляет 4,25, Выбор этого отношения, а следова-
тельно, и высоты вагранки в указанных пределах зависит от
качества подготовки и характера шихты. Как указывает
М. М. Карнаухов, высота вагранки должна быть тем больше,
чем мельче шихта, так как при этом меньше опасности зависа-
ния и поэтому возможно лучшее использование тепла отходящих
газон.
662
Плавка чугуна
Общая высота вагранки слагается из полезной высоты (//□),
расстояния фурм до пода (Лф) и высоты пода вагранки над
полом литейной (Л,,):
^об = Wo + ^ф + ^п-
Расстояние фурм от пода зависит от конструкции и произво-
дительности вагранки и от содержания углерода в жидком
чугуне. Значение Лф обычно колеблется в пределах 100—600 лш.
При этом меньшие значения относятся к вагранкам с копильни-
ком в условиях получения малоуглеродистого чугуна. Большие
же значения относятся к вагранкам большой производительности
без копильника при ведении плавки на получение чугуна со
средним или высоким содержанием углерода. Высота пода над
полом имеет значение для ремонта вагранки и колеблется в пре-
делах 1,0—2,0 м.
в) Расчет воздухопроводящей системы. Общее
количество воздуха, подводимое в вагранку, может быть выбра-
но либо на основе табл. 52 в зависимости от расхода топлива
и удельной производительности, либо из рис. 357 в зависимости
от заданной температуры чугуна и расхода кокса. В современ-
ных вагранках удельный расход воздуха обычно колеблется
в пределах W = 100— 150 м3/м*час. Более высокие значения VV
опасны с точки зрения получения газовых раковин в отливках.
Чтобы обеспечить подачу в вагранку необходимого количест-
ва воздуха, вентилятор должен развить определенное давление
(Р), соответствующее противодавлению вагранки. Существует
ряд формул, определяющих это давление в зависимости от раз-
ных факторов. Общий вид этих формул, предложенных
М. Г. Евангуловым, Л. М. Мариенбахом, С. О. Бируля,
Н. Л. Радимовым и др., представляется в следующем виде:
Р = fc D~c r~fq’n, (204)
где P—давление воздуха, мм вод. ст.;
W — удельный расход воздуха, м3{м?час, или условная ско-
рость движения газов, м/мин;
На — полезная высота вагранки, м;
D —диаметр вагранки, м;
г — размер кусков шихты, мм;
q — вес 1 м3 топлива, кг;
к — коэфнциент пропорциональности;
а, Ь, с, /, т — показатели, значения которых в разных фор-
мулах колеблются в следующих пределах:
а Ь с f т
0,5-2,0 0-!,О 0-3,0 0-2,0 0-1,0
Плавильные печи и режим плавки в них
663
Большинство формул учитывает только влияние количества
воздуха (VI/) и высоты вагранки (Но) ИЛИ пути газов (r/u -f-
4-0,250) в виде зависимости:
Р = На (205)
или р kW- (Нй + 0,25 0). (206)
Значение коэфициента /? в формуле (206) определяется
Л. М, Марпенбахом в зависимости от объема пустот в столбе
шихтовых материалов:
Объем пустот ... 30 35 40 45 50 55 60 65 70
к . . ‘......... 0,037 0,027 0,021 0,018 0,013 0,011 0,0'8 0,008 0,007
Наиболее правильные результаты получаются при значениях
коэфициента к = 0,008—0,020 в зависимости от объема пустот
и сопротивления шихты.
Определив таким образом количество и давление воздуха,
находят путем расчета (или пользуясь соответствующими ката-
логами) вентилятор и мотор для обеспечения нужного режима
дутья, с учетом обычной потери воздуха в системе в размере
около 10—20%.
Для расчета сечения фурм в вагранке до сих пор нет како-
го-либо удовлетворительного метода. Поэтому ограничиваются
определением общего сечения фурм (() в зависимости от сече-
ния вагранки (А). Это отношение колеблется в больших
пределах:
2-= 0,1 - 0,3. (207)
Л. И. Какурин рекомендует следующую эмпирическую фор-
мулу для определения отношения ~ :
з
225 D 2
Эта формула показывает, что отношение сечения фурм к пло-
щади вагранки возрастает с увеличением количества воздуха
и с уменьшением диаметра вагранки. Полученное на основании
расчета общее сечен ие фурм распределяют между отдельными
радами и, исходя из числа фурм, определяют сечение каждой
нз них.
Сечение воздухопровода определяют, исходя из нормальной
скорости движения воздуха v=10—18 м!сек, причем эта ско-
рость выбирается тем больше, чем меньше сопротивление воз-
духопроводящей системы;
Л = (209)
Г' 60 V '
664
Плавка чугуна
/в
где —;---отношение сечения воздухопровода к сечению ва-
Г
гранки;
W — количество воздуха, подаваемое в вагранку, м3/м*мин;
v — скорость движения воздуха в воздухопроводе, м/сек.
По той же формуле может быть рассчитано и сечение фур-
менной (воздушной) коробки, во значение у при этом выбирает-
ся уже в пределах 2,5—4,0 м/сек, что способствует более равно-
мерному распределению воздуха по фурмам.
г) Расчет горна, копильника и леток. Объем,
а следовательно, и высоту горна вагранки определяют, исходя
из количества накапливаемого чугуна (t/.,) и шлака (т/ш) между
соответствующими двумя последовательными выпусками. Если
принять, что объем между кусками кокса составляет 50% от
всего объема, то высота горна или расстояние фурм от пода
(йф) определится формулой:
, (210)
Г \ Цу Ujjj f
где F — сечение вагранки, М-;
и — максимальные количества чугуна и шлака, на-
капливаемые в вагранке, т;
d., и с?,,,— уд. веса жидкого чугуна и шлака, т/м3.
По этому же принципу рассчитываются объем и высота
копильника от пода до уровня прохода, по которому течет чугун
из вагранки, с той только разницей, что чугун и шлак в данном
случае занимают весь объем копильника:
где hK и Ffl — высота и сечение копильника.
Копильник проектируется обычно так, чтобы он имел наи-
меньшую относительную поверхность с целью максимального
уменьшения потерь тепла. Для этого диаметр его принимается
примерно равным его высоте, причем в большинстве случаев он
составляет 80—110% от диаметра вагранки1 и может накапли-
вать от получасовой до часовой производительности печи.
В случае шлакоотделення объем копильника должен быть соот-
ветственно уменьшен.
Устройстпо сифона д.ъг шлакоотделення основано на простом расчете
высот жидкостей в сообщающихся сосудах (рис 397), Так, например, ваг-
ранку со Н1лакоотделителы1ым жолобом следует рассматривать, как три со-
общающихся сосуда. В первом из них (а вагранке) давление определяется
। Отношение диаметра копильника к диаметру вагранки обычно умень-
шается с увеличением диаметра печи.
Плавильные печи и режим плавки в них
665
;сталбом шлака (z) и давлением дутья (Р) >, во втором (в жадобе до поро
га) имеет место давление столбов чугуна (у) и шлака (н) и, наконец,
в третьем сосуде (а жадобе после порога) имеется только столГЗ чугуна
высотой х над леткой вагранки. На основе равенства этих давлений можно
яапясать:
xrf4 = yd4 + ш/щ = xdw + Р,
, Фи , Р
х^у + и — z-~ .
Utj Utj Cptj
Принимая
получим:
х = у 4-0,33 о = 0,32 л-MJ, 145 Р см. (212)
Полагая г < Лф , чтобы шлак в вагранке не попал в фурмы, и зная Р,
можно на основании формулы (212) определить х. Задаваясь дальше тол-
щиной шлакового покрова а жолобе (и), обычно около 5 см, можно найти
уровень стока шлака
> 4- и = х — 0,32и + и = х + 0,68и см (213)
или при и — 5 ем:
у + и = х + 3,4 см. (213а)
Что касается диаметра летки, то он рассчитывается по необ-
ходимой скорости истечения. Метод такого расчета впервые
предложил С. О. Бируля.
Упрощая расчет и пренебрегая давлением дутья и шлака
и постепенным уменьшением столба жидкого чугуна, как факто-
рами, действующими во взаимно противоположных направлени-
ях, можно определить сечение выпускного отверстия:
FM=-----(214)
у d (1 У 2 g Л
где Q4—количество накапливаемого в вагранке или копиль-
нике чугуна, кг;
т — время выпуска, сек;
d — уд. вес жидкого чугуна, г/с.и3;
р, — коэфициент потерь;
h — высота столба чугуна, см-,
g—ускорение свободно падающего тела, равное 981 см!сек2.
Принимая, что свободное пространство между кусками кокса
составляет 50% общего объема, можно определить величину
гидростатического напора:
ft = См
где D —диаметр вагранки, см.
1 Если расстояние фурм от пода будет достаточно велико, что б и шлак
уравновесил столб чугуна н шлака а соседнем сосуде, то и вагранке будет
один только шлак. В противном случае там будет н чугун. Метод расчета
шлакоуловителя от этого не изменятся.
666
Плавка чугуна.
После подстановки значения h в формулу (214) и соответ-
ствующих преобразований, получим:
Ом= 0,65
(214а)
где D м—диаметр цилиндрической части летки, см\
D — диаметр вагранки, лг;
Q4 — количество накапливаемого чугуна, на;
т—время выпуска, мин. .
В случае непрерывного выпуска металла диаметр летки
уменьшается, так как время выпуска увеличивается. Кроме того,
как видно из формулы (214а), диаметр летки увеличивается
с увеличением диаметра вагранки и количества накапливаемого
чугуна. Так как производительность пропорциональна квадрату
диаметра, то диаметр летки пропорционален корню четвертой
степени из производительности, что подтверждается практикой;
Производительность вагранки Q, т/час До 5 5 10 15 20
Диаметр летки Д*М| сл<:
при периилическом выпуске. . . 1,5 1,9 2,2 2,5 3,0
при непрерывном выпуске . . . 1,0 1,2 1,6 2,0 2,3
Диаметр шлаковой летки делается больше чугунной, обычно
в пределах 3—5 см.
д) Расчет искрогасителя и других частей
вагранки. Для осаждения пыли в искрогасителе необходимо
понижение скорости движения газов до 1 м/сек. Объем газов,
проходящий через искрогаситель в 1 сек., может быть определен
по следующей формуле:
Ди = ft м*!.сек, (215)
где v„ — скорость движения газов в искрогасителе, л/сек;
Г„—сечение искрогасителя, мг\
к — коэфициент, учитывающий увеличение объема газа
вследствие засоса воздуха, равный 2;
W — количество воздуха, подаваемого в вагранку, m3/m'jmuh
(с некоторой погрешностью пренебрегаем разницей
в объемах газев н воздуха);
F — сечение вагранки, м-;
— температура газов в искрогасителе;
а — коэфициент объемного расширения.
Приняв vlr = 1 м/сек, найдем:
fit = Л (215а)
F 60 30 ’ 1 '
Плавильные печи и режим плавки <? них
667
Если IV = 120 м^/м^мин, a t„ =400°, то:
-'1 = 10. (2156)
F
Сечение окон и щелей для выхода газов принимается от 0,7
до 0,9 от плошади сечения искрогасителя.
Остальные конструктивные элементы вагранки (кожух, подо-
вая влита, колонны, днище) подвергаются обычному механиче-
скому расчету. При этом кожух и колонны рассчитываются на
продольный изгиб, а подовая плита и днище—на изгиб. Сле-
дует только иметь в виду, что подавляющая часть шихты удер-
живается трением о футеровку и поэтому не оказывает давления
на днище. Точно так же вследствие образования арки из футе-
ровки между колоннами подовая плита воспринимает только
небольшую нагрузку от веса кирпичей, находящихся под аркой.
Колонны же воспринимают всю нагрузку от кожуха, искроуло-
вителя с пылью, футеровки, шихты и ветра.
4. РЕЖИМ И КОНТРОЛЬ ПЛАВКИ В ВАГРАНКЕ
Результаты плавки чугуна зависят не только от конструкции
вагранки, но и от режима ее работы. Поэтому правильному
и тщательному ведению процесса плавки в вагранке должно
быть уделено большое внимание.
а) Подготовка и ведение процесса плавки.
Основными операциями по подготовке вагранки к плавке явля-
ются ремонт и розжиг.
Текущий ремонт вагранки производится после каждой плавки
для исправления профиля шахты, форма которой нарушается
вследствие оплавления кладки. С этой целью после естественно-
го охлаждения вагранки 1 кладка тщательно осматривается
и осторожно очищается от шлаковых наростов без повреждения
тонкой глазури на поверхности кирпичей. После' этого выламы-
вается сильно изношенная часть футеровки и заменяется новой.
Такому обновлению подвергаются только от 3 до 5 колец кирпи-
чей выше фурм, на что расходуется от 100 до 250 кирпичей
в зависимости от диаметра вагранки. При этом кладка должна
вестись очень тщательно на огнеупорной глине с толщиной
швов в 4—5 мм, после чего все трещины замазываются огне-
упорным раствором -. Крупные дыры заделываются, кроме того,
кусками кирпича, Исправление кладки производится иногда
। Поливку раскаленной футеровки водой не следует допускать из-за
сбрззовлчия напряжений и трещин.
г Раствор составляется из огнеупорной глины и шамота (старого моло-
того кирпича) иди из огнеупорной глины (&0%) и кварцевого песка (40%).
668
Плавка чугуна
специальной набивной массой, плотно утрамбовываемой вокруг
шаблона.
Во всех случаях приходится заменять каждый раз кирпичи
с отверстиями для выпуска чугуна и шлака, так как они разъе-
даются во время плавки. Дальнейшая подготовка к плавке
заключается в набивке подины, закрытии дниша п обмазке
жолоба. Таким же образом производится ремонт копильника.
После этого приступают к розжигу — примерно за 1,5—2 ча-
са до начала плавки. Для этого через рабочее окно вагранки
укладываются в клетку дрова, а поверх них—крупный кокс.
Когда дрова хорошо разгорятся, начинают постепенно (в не-
сколько приемов) добавлять кокс через колошниковое отверстие
пока уровень холостой колоши не достигнет нужной высоты.
При этом во избежание получения густого шлака в начале
плавки в холостую колошу прибавляют около 10% известняка.
Кокс для холостой колоши выбирают всегда наиболее крупный,
чтобы обеспечить достаточно высокую температуру первого
чугуна Одновременно ведется также розжиг копильника.
Когда холостая колоша хорошо разгорится, ее продувают
в течение нескольких минут воздухом от вентилятора, проверяют
высоту и после этого начинают завалку, одновременно заделы-
вая рабочее окно вагранки. Для этого окно выкладывается кир-
пичом, дверцы обмазываются глиной и закрываются.
Загрузка вагранки производится механизированным способом
или вручную путем чередования отдельных колош кокса, флюса
и металлической шихты. При этом следует обращать особое вни-
мание на тщательность подготовки шихты. От кокса должна
быть отсортирована мелочь. Чугун должен быть разбит на до-
статочно мелкие куски во избежание зависания, известняк — раз-
мельчен на куски от 20 до 50 мм для облегчения процесса
флюсования, так как, согласно литературным данным, крупные
куски известняка медленно диссоциируют (рис. 416).
Когда вся шихта заполнена (в вагранку обычно входит вна-
чале 6—8 колош), шихте дают медленно прогреться за счет
естественной тяги в течение 10—30 мин. и после проверки
исправности мотора и вентилятора пускают дутье при откры-
тых фурмах (иначе возможен взрыв)
После этого фурмы закрываются, а летка заделывается фор-
мовочным песком, что облегчает ее первое открытие. После пер-
вого выпуска летка закрывается уже глиняной пробкой, наса-
женной на деревянный или железный шест. Для этого сильным
। В itpnuccce плавки кокс холостой колоши постепенно заменяется
коксом р.|бо'лх колош.
2 Получающаяся при горении кокса СО может заполнить воздухопровод;
при пуске вентилятора и этом случае образуется гремучая смесь.
Плавильные печи и режим плавки в них
663
ударом проталкивают пробку под острым углом через струю
жидкого чугуна и в течение нескольких секунд не отнимают
шеста (пока не обгорит глина). После этого шест безопасно
отнимается от пробки. Для
этой ответственной опе-
рации существует механизи-
рованное приспособление,
устройство которого понят-
но из рис. 417. Однако
большого распространения
оно не получило, так как
опытные вагранщики хоро-
шо проделывает эту опе-
рацию вручную.
Открытие летки произ
водится острым ломом, ко-
торым пробивают глиняную
пробку, В случае непрерыв-
ного выпуска чугуна летка
остается в течение всей
плавки открытой.
Шлаковая летка также
Рис. 416. Зависимость скорости днс-
соцпэции известняка от величины
его кусков
может быть все время от-
крытой или периодически закрываться и открываться при каж-
дом спуске шлака. Закрытие производится песочной или глиня-
ной пробкой на деревянном шесте. При этом состав пробки бе-
рется с меньшим содержанием глины, чем для чугунной летки
В течение всей плавки необходимо тщательное наблюдение
за фурмами. Плавление чугуна и стекание его капель через
область фурм должны начаться через 5—6 мин. после пуска
вентилятора, что свидетельствует о правильной высоте холостой
колоши.
Фурмы все время должны быть чистыми, — в случае зашла-
кования их необходимо прочищать ломом или попеременным
закрыванием.
По окончании завалки столб шихтовых материалов постепен-
но понижается, сопротивление уменьшается, и поэтому давление
дутья может быть понижено. По окончании плавки вентилятор
останавливается, оставшийся жидкий чугун выпускается в ковш,
после чего открываются копильник, а затем днище вагранки.
Если содержимое вагранки не проваливается, спекшуюся подипу
приходится с надлежащей осторожностью пробивать ломом, пос-
ле чего остатки шихтовых материалов и холостой колоши про-
валиваются и поливаются водой из брандспойта, чтобы поту-
шить горящий кокс.
670
Плавка чугуна
б) Особенности ведения плавки на замените-
лях кокса. При плавке на полноценных заменителях кокса
(антрацит, термоантрацит, пекококс и др.) режим плавки остает-
ся почти без изменения. Следует учесть, что в соответствии
с изменением объемного веса заменителя меняется также вес
топливной и металлической колош. Поэтому при плавке на
Рис. 417, Механизированное устройство для закрывания летки
антраците и термсанатраците размеры колош увеличиваются
примерно в 2 раза. При этом, в связи с большей плотностью.
гоплива, давление дутья следует несколько увеличить, а высо-
ту завалки уменьшить так, чтобы она не превосходила 4 м.
Так как антрацит имеет склонность к растрескиванию, то при
завалке следует выбирать большие куски (больше 60 мм в по-
перечнике). При термически нестойком антраците плавка может
вестись только па смеси его с коксом, причем холостую колошу
предпочтительно делать из одного кокса.
П,т:|’1хл ты неполноценных заменителях коттсп (древесный уголь, торфя-
ной кокс, торф) в значительно большей степени отличается от обычной.
В этом cjiV’i-'O' иод готовка вагранки и самый процесс плавки должны веет ист,
с oc.,6»;i тщательностью. иначе nvrvft иол v и ле гея с очень низкой темпеои-
турой. Например, при плавке на древесном угле вагранка после розжига
заполняется доверху топливом. Когда она хорошо рлтгоритсп. лается
первая колоша из очень мелкого и тонкостенного лома. После пуска вен-
Плавильные печи и режим плавки в них
671
К^илятооа летку оставляют открытой в течение 20—30 мин. для прогрева
В^одины и горна, даже в том случае, если до истечения этого времени нач-
Ейет плавиться н стекать чугун. Расход древесного угля в рабочих колошах
Кфостепенно снижается от Й00 до Юб'/о. При этом максимальный вес кусков
№ чугуна может дойти при нормальном ходе плавки до 12—15 ке паи усло-
Б вии их предварительного прогрева за счет тепла отходящих газов на сне-
Банальном пороге, соединяющем шахту вагранки с основанием трубы,
Е При плавке па торне или торфяном коксе пользуются обычно смешан-
В.'выми колошами (пополам с коксом или антрацитом)- При этом подготов-
Г.'Ка вагранки и шихтовых материалов должна быть очень тщательной во
избежание зависания. Высота топливной колоши берется таким образом,
&..;чтобы она составляла около 160—200 мм в поясе плавления. Количество
КТторфа при завалке рассчитывают, исходя из того, что для получения 1 кг
[^тсрфококса необходимо 2,5—3 кг торфа.
=* в) Контроль плавки. При ведении плавки необходимо
установить контроль как за исходными шихтовыми материалами
и воздухом, подаваемым в вагранку, так и за получаемыми про-
дуктами плавки — жидким чугуном, шлаком и отходящими
газами. Контроль шихтовых материалов сводится к их хими-
ческому анализу, технологическим испытаниям топлива (на
прочность, теплостойкость, пористость, горючесть) и тщатель-
ному взвешиванию всех составляющих шихты.
Контроль воздуха, подаваемого в вагранку, заключается
в измерении его давления и количества. В редких случаях кон-
тролируется также температура и
влажность.
Особенно распространенным явля-
ется контроль давления дутья, осуще-
ствляемый в простейшем случае водя-
ными манометрами, присоединенными
к воздухопроводу или фурменной ко-
робке (рис. 418).
Более совершенными, но реже
встречаемыми приборами для конт-
роля давления являются всякого рода
пружинные манометры, в том числе
манометры с автоматической записью.
Следует иметь в виду, что ход про-
Bssd'jxanpoScd
Рис. 418. Манометр для
измерения давления воз-
духа в воздухопроводе
цесса плавки определяется, главным
образом, не давлением, а количеством
воздуха н что между этими двумя по-
казателями нет прямой сняли. Напри-
мер, при поршневых вентиляторах количество подаваемого воз-
духа мало зависит от давления, а при центробежных вентиля-
торах увеличение давления свидетельствует даже об умеш.ше-
нин количества воздуха, и наоборот (рис. 393). Судить о коли-
честве воздуха по его давлению нельзя. Для контроля количест-
ва дутья служат поэтому специальные приборы (рис. 419).
672
Плавка чугуна
Работа всех этих приборов основана на определении скорости воздуха
в трубопроводе. Например, в трубках Пито и Прандтля разность дав-
лений в обоих концах манометра, в зависимости от направления потока,
дает величину динамического напора. С одной стороны, отмеченной на
рис, 419 а и 419 в знаком плюс, действует статическое (р) и динамическое (рО
Hacadha
ка Пито; г — трубйа ПМВДГЛЯ.
давление, а с другой стороны,
тичеекое давление. Поэтому
отмеченной aria ком минус, только cra-
ft = (р + р')—р=р'-
Так как динамическое давление Pr ~d гг •
2g
ляется Формулой:
то скорость дутья опреде-
где Л —динамическое давление;
d — уд. вес воздуха, равный 1,3 «г/л3 (при 0° и 760 мм давления).
Плавильные печи и режим плавки в них
673
Зная скорость движения воздуха (у), легко определить и его количество;
1Г = ;>F = F |/ 2^ ~ ==3,87 F Vh
===232/’/'» л»/д/ин. (216)
где h — показания диферецциальцого манометра, мм вод. ст.
F — площадь сечения воздухопровода, .и2.
Так как скорость движет!ня воздуха возрастает к. центру, то трубки
Пито и Прандтля следует устанавливать примерно на расстоянии /а диа-
метра от стенки, вернее в том месте, где скорость движения воздуха соот-
ветствует средней его скорости в воздухопроводе. При этом установку тру-
бок следует производить па достаточно длинном прямом участке возду-
хопровода, где поток воздуха можно считать ламинарным.
Наибольшее распространение имеет в наших литейных способ изменения
количества воздуха посредством шайбы (рис. 419а). Воздушный поток
в этом случае проходит через узкое сечение и затем на некотором рас-
стоянии от диафрагмы вновь расширяется. Скорость потока и количество
воздуха при этом определяются
v = k J,/ 2g — м/сек,
IV' fk 2g = 3,87 hf \-h мя/сек =
232 kf \/h~ (217)
где / —-сечение отверстии в Диафрагме, лб,
к — коэфициент расхода, зависящий от соотношения площадей сечения
шайбы и воздухопровода I.
Л — показания лиферешшальяого манометра, мм вод, ст.
Контроль получаемого чугуна производится в отношении его
состава, температуры, жидкотекучести н склонности к отбелу.
Состав чугуна контролируется по химическому или спектрогра-
фическому анализу, по виду искры 2 или по величине отбела на
клиньях.
Температура чугуна измеряется обычно оптическими пирометрами, хотя
более точные замеры дает термопара погружения. Удобство пользования
оптическими пирометрами обеспечивало им до сих пор широкое применение
и только в последнее время с ними стали успешно конкурировать термо-
пары нового типа.
। Определение величины к ь зависимости от отношения f/F может быть
сделано по следующим данным:
fiF <1,16 0 25 0,35 0,15 0,55 0,65 0,7-4
' Й 0,610 0.625 0,645 0.660 0,723 0,795 О/.ЯО
В большинстве случаев пользуются отношением f/F - 0.25—0,5. что
соответствует </'D — 0.5—0.7.
2 Чем больше чугун искрит, тем к-еньше и нем содержание кремния.
Однако характер искры зависит также от температуры чугуна.
43 Зак. 80»
674
Плавка чугуна
Пользование оптическими пирометрами требует соответствующих по-
правок на «черное» тело в зависимости от излучающей (эмиссионной) спо-
собности жидкого чугуна (^). Она зависит от состава температуры чу-
iviia я па его поверхности окислов р шлаков. Последние хаоак-
тернзуютсп всегда большими значениями г. чем чистин металл Q повыше-
Рис. 420. Излучающая способность жидкого чу-
гуна и соответствующие ей поправки при измере-
нии температуры оптическими пирометрами
нясм температуры из'
ЛУЧаЮгЦач способность
чугуна понижается, а
соответственно поправ-
ка резко увеличивается.
Как видно из ряда
литературных данных
(рис. 420). чугун харак-
теризуется меньшими
значениями z, чем сталь,
и поэтому требует, при-
прочих равных условиях,
больших поправок при
измерении температуры.
При этом с повышением
содержания кремния
излучающая способность
увеличивается.
Резкое понижение
значения z происходит
обычно при температу-
рах 1370—1400° вслед-
ствие растворения и
раскисления (углеро-
дом) окислов, находя-
щихся на поверхности
чугуна. Степень черно-
ты при 1400° состав-
ляет 0,4 и чугун имеет
при этом глянцевитую
поверхность. При тем-
пературах 1370—1400°
степень черноты колеб-
лется в пределах от 0.4
до 0.7 в зависимости от
характера пленки, ме-
няющейся от темногляннево1й де светломатовой. При температурах ниже
1370° значение к меняется от 0.55 до 0.75. В среднем можно принять
следующие поправки для чугуна в зависимости от
окислов на его поверхности;
Температура, °C |2РР )25'J
Поправка при отсутствии окислов,°C 61 66
Поправка в присутствии окис-
лов, °C...........’............. 18 Ю
температуры и наличия
1300 1350 1400
70 75 80
20 21 22
Визуальная оценки температуры чугуна может быть произведена опыт-
ным глЛ.и1М по внешнему виду его поверхности, которая должна быть
совершсчно чистой при высоком перегрело около 1400° и покрыта пленкой
в тем большей степени, чем ниже температура.
Кроме температуры проверяется часто и жидкотекучесть чугуна путем
регулярной заливки спиралей в течение плавки. При этом показатели жрд-
Плавильные печи и режим плавки в них
67о
котекучести дают одновременно представление и о температуре жидкого
чугуна.
Что касается склонности чугуна к отбелу. то она может служить не.
только технологической пробой при изготовлении отбеленного чугуна,
но также контролем состава металла. Для этого необходимо в каждой ли-
тейной уетииавлчз.пь своп эталоны излом он (рис. 421),
Оценка ц контроль количества жидкого чугуна, вытекающего
из печи, могут быть произведены либо ориентировочно по коли-
1,13 1.17 1,гг 1.36 1J6 1.46 1.58 1,71 1.78 309%
С: 3,14 3.13 3.19 3.23 3,34 3.28 3.33 3,35 3.43 3.46 Ча
ZC*Si:W 4,4/ 4,48 >4,70 >4,711 4.90 5.06 5.31
шшни
1,13 1,17 1,23 1,26 1J6 1,46 1.58 < 11 <78 1309%
314 3.1 з 3,is з.гг з.зо з,28 з.зг 335 3,43 з.4бЧ>
.« AM I, ЛУ LUX Ь-'ЧП L.H1 L, QO ЧРХ 4X4 4444,
Рис. 431, Эталоны изломов для характеристики склонности чугу-
на к отбелу и оценки его состава
честву пли степени заполнения ковшей, либо более точным
образом — посредством крановых или других весов.
В некоторых случаях представляет интерес контроль количе-
ства металла в горне вагранки или в копильнике. С этой целью
в футеровке заделываются угольные контакты, которые замы-
каются жидким металлом при его подъеме до соответствующего
уровня, что влечет за собой загорание контрольной лампочки.
Контроль шлака в процессе плавки может производиться по температуре
и вязкости, например, по способу Я. С, Смоляницкого или путем отливки из
угольник. Однако эти испытания производятся редко, чаще всего ограни-
чиваются визуальной сценкой текучести шлака при его выпуске, В качестве
последующего контроля после плавки производят иногда химический
анализа шлака, главным образом, чтобы установить причины каких-либо не-
поладок.
Контроль колошниковых газов вагранки в отношении их температуры
и состава производится еще далеко не во всех литейных. При этом поль-
зуются обычной термопарой и прибором Орса. Пробу газа забирают
па расстоянии 0,5—1,0 м от колошника, принимая необходимые меры
предосторожности, чтобы воспрепятствовать засосу воздуха и реагирова-
нию газов с материалом трубки. С этой целью ее опускают достаточно глу-
боко под уровнем завалки и охлаждают водой.
В передовых литейных оснащенных современным оборудованием и из-
мерительной аппаратурой, контроль отходящих газов производится на базе
самопишущих пирометров п гизоанализаторон, работающих на пргшгнше
изменения теплопроводности илн другого свонстпа газон в зависимости от
состава, Такого рода контроль является весьма полезным для анализа
и 1[|1.'нг11Л1Я10го ведения процесса планки.
г) Неполадки при плавке и их устранение.
Наиболее частой пеполадкой при плавке в вагранке является
лз*
676
Плавка чугуна
получение недостаточно перегретого (холодного) чугуна. Чаще
всего это происходит вследствие нарушения нормального техно-
логического процесса. Задача плавильщика заключается при
этом в том, чтобы на основе правильного анализа установить
причину, вызвавшую неполадку, п устранить ее. Для -.yroi0 преж-
де всего необходимо обратить внимание па то, как изменялась
температура чугуна во времени.
Например, если температура чугуна была сначала высокая,
а затем начала постепенно падать, то причиног) неполадки
может быть недостаточная по весу рабочая коксовая колоша,
что приводит к понижению холостой колоши, а следовательно.
; и температуры чугуна. Если же холодный чугун идет с самого
i начала плавки и температура его поддерживается в дальнейшем
на одном и том же уровне, то это может служить признаком
I недостаточной высоты холостой колоши. В случае, когда темпе-
ратура чугуна постепенно повышается, причиной неполадки
в начале плавки является либо плохой разогрев вагранки или
I копильника, либо низкая холостая колоша, постепенно повыснв-
\ шаяся за счет излишне большой рабочей колоши. В последнем
‘ случае наблюдается также понижение производительности
вагранки.
Величина удельной производительности является хорошим
показателем для анализа работы вагранки и указывает путь для
повышения температуры чугуна. Если низкий съем с 1 м2 пло-
щади сопровождается получением холодного чугуна, то это сви-
детельствует обычно о недостаточном количестве воздуха, так
как большой расход топлива, понижая удельную производитель-
ность вагранки, имеет следствием в то же время получение более
перегретого чугуна. Причинами получения недостаточного пере-
грева чугуна могут служить также низкое качество топлива,
крупные куски металлической шихты или неправильная завалка.
В этом случае возможно появление чушек чугуна или круп-
ных кусков лома у фурм вагранки, что можно наблюдать через
«гляделки». Охлаждение этих кусков чугуна поступающим через
фурмы воздухом может привести к постепенному намерзанию
металла вокруг них н к образованию так называемого «козла»,
удаление которого из вагранки связано с большой затратой
труда. Чтобы избежать этого, необходимо протолкнуть кусок
чугуна ломом подальше к центру вагранки н заделать близле-
жащую фурму глиной, чтобы прекратить доступ воздуха к месту
аварии.
Появление кусков твердого чугуна у фурм часто является
следствием зависания, которое происходит при пеправщи.иом
профиле шахты (высокие заплечики, сужение), малом диаметре
вагранки и длинных кусках металла. В этом случае в шахте
Плавильные печи и режим плавки в них
677
образуются своды из шихтовых материалов, которые не опуска-
ются вниз несмотря на то, что под ними интенсивно прогорает
холостая колоши л плавится нижележащий металл. ДЛЯ устра-
нения этой неполадки образующиеся своды разбиваются длин-
ными ломами при прекращенном дутье. Работа эта очень уто-
мительна, Когда цель, наконец, достигнута и оводы разрушены,
вся висевшая^ шихта обваливается вниз.
Так как во время зависания холостая колоша успевает
в значительной мере выгореть и опуститься, то куски металла
могут при этом легко попасть в область фурм. После зависания
чугун получается, конечно, с низким перегревом и обычно сли-
вается в ямы или (что значительно лучше) •— в специальные
изложницы. Для восстановления высоты холостой колоши
и установления нормального режима плавки необходимо дать
несколько коксовых колош без металлических, так называемую
«пересыпку», что повышает пояс плавления до нормального
уровня.
Другой причиной получения чугуна с низкой температурой
может быть сильное ошлакование фурм, что сопровождается
повышением давления и уменьшением количества воздуха1.
В некоторых случаях фурмы не только зашлаковываются, но
и намерзают за счет стекающих капель чугуна. Это происходит
вследствие неправильного устройства фурм, слишком большого
охлаждающего действия воздуха или неправильного флюсования.
Устранение этих неполадок производится либо путем очистки
фурм, уменьшения количества воздуха или соответствующего
увеличения количества известняка, либо путем замены его мар-
теновским шлаком, доломитом, плавиковым шпатом и т. д.
Во всех случаях при получении чугуна с низкой температурой
возможно замораживание металлической летки, хотя причиной
этого может быть также неправильное ее устройство или за-
крытие (очень длинная цилиндрическая часть, малый диаметр,
или недостаточное проникновение глиняной пробки в летку).
Замерзшую летку открывают острым ломом, по которому про-
изводят " многократные удары, или прожигают кислородом.
В этих случаях большую пользу приносит вторая (запасная)
летка.
При плавке па антраците или другом термически нестойком
топливе наблюдается иногда засорение вагранки рассыпающимся
в пыль топливом. При этом резко возрастает давление дутья
и падает производительность. Устранение подобной неполадки
возможно путем замены топлива более качественным.
1 Повыше1ше давления болынс всего наблюдается при тторшнепых венти-
ляторам. уменьшение количества воздуха — при центробежных вентиля-
торах.
678
Плавка чугуна
тряпок или поливают водой,
принять меры, чтобы жидкий
Рис. 422. Двойной предохра-
нительный клапан
/ При длительных плавках, недоброкачественном ремонте или
плохом кирпиче происходит иногда разогрев (покраснение) ко-
жуха вагранки. Чтобы избежать аварии и в то же время закон-
чить плавку в течение некоторого непродолжительного времени,
кожух вагранки охлаждают мокрыми компрессами из глины или
В последнем случае необходимо
чугун при провале вагранки не
попал на влажные места, для
чего их следует засыпать слоем
сухого формовочного песка. В
противном случае может про-
изойти наиболее серьезная непо-
ладка при плавке в вдгранке —
взрыв.
Взрывы могут произойти так-
же в воздухопроводе, когда по
неосторожности или халатности
обслуживающего персонала в
нем образуется гремучая смесь
В связи с этим следует помнить,
что после каждой остановки вен-
тилятора возможно проникнове-
ние СО в воздухопровод. Поэто-
му при пуске вентилятора сле-
дует всегда открывать фурмы,
чтобы даШз возможность газам
удалиться в атмосферу.
д) Техника безопасно
сти при плавке в вагран-
несчастных случаев необхо-
ры против взрывов; пол в литей-
ной вокруг вагранки должен быть сухим и покрыт слоем песка,
металлическая шихта должна быть проверена в отношении взры-
вобезопасностя, пуск дутья должен производиться всегда при
открытых фурмах. При этом полезна также установка двойного
предохранительного клапана на воздухопроводе пли еще Луч-
ше—на воздушной коробке ниже фурм (рпс. 422).
ке. Во избежание аварий и
димо принимать следующие ме
Пружина нижнего клапана лен этом подбирается таким образом, чтобы
сна отмывалась при давлении ниже 200 .н.п вод. ст. Поэтому пои оста-
новке вентилятора. а также при пуске его клапан будет открыт, что даст
возможность газам воздухопровода удалиться в атмосферу Пружина же
верхнего клапана подбирается таким образом, чтобы она открывалось при
давлении свыше 1000 мм вод. ст. Поэтому при зашлакованлн фурм или при
большом MHipo’fяалепнк вагранки клапан откроется п даст возможность
•воздуху удалиться и атмосферу, что шжлуиредит поломку поргцнееого
вентилятора. В случае центробежного вентилятора в верхнем клапане нет
НУЖДЫ.
Плавильные печи и режим плавки в них
679
Из прочих правил техники безопасности следует указать, что
колошниковое окно должно быть на 50—100 мм выше уровня
колошниковой площадки, так как иначе возможно падение ра-
бочего в вагранку.
Так же необходимо снабжать соответствующей автоматикой
подъемник, чтобы дверцы его не могли открываться в том слу-
чае, когда клеть находится внизу, иначе рабочий, открыв двери,
может упасть в шахту подъемника,
О пуске вентилятора завальЩпков следует предупреждать
электрической сигнализацией, иначе пламя, которое вырывается
при этом из вагранки, может обжечь стоящих близко рабочих.
Открывание и закрывание летки должно производиться опыт-
ным вагранщиком, которого необходимо снабдить достаточным
количеством инструментов и приспособлений. В частности,
у вагранщика должны быть всегда заготовлены запасные шесты
с пробками, Чтобы в случае неудачного закрывания летки он
мог сразу же взять другой шест.
Опорожнение вагранки должно производиться с достаточно
далекого расстояния, чтобы проваливающаяся шихта и жидкий
чугун не причинили вреда рабочему.
При производстве ремонта также надлежит принимать необ-
ходимые меры по технике безопасности, чтобы вагранщик нс
провалился вниз и чтобы на него ничего не могло упасть сверху.
Для этого необходимо устроить соответствующий прочный на-
стил (леса) в вагранке и прикрывать ее сверху щитом во время
производства ремонта.
При плавке на высокогорючем топливе следует учитывать
возможность отравления рабочих вследствие высокого содержа-
ния СО в газах. В этом случае завалочная площадка должна
быть оборудована вытяжным зонтом, расположенным над
загрузочным окном на высоте около 2 м. С той же целью необ-
ходимо зажигать газ и только при горящем колошниковом газе
производить завалку и пускать дутье в вагранку. Во избежание
пожара следует в этих случаях обеспечивать хорошую работу
искрогасителя.
Охрана жизни и здоровья рабочих в условиях социалистиче-
ской системы производства является важнейшей обязанностью
каждого инженера. Поэтому вопросам техники безопасности
необходимо уделять особое внимание.
е) Материальный и тепловой балансы ва-
гранки. Материальный и тепловой балансы вагранки явля-
ются эффективными средствами анализа и контроля процесса
плавки.
Исходными данными при составлении материального баланса
служат результаты взвешивания и химического анализа всех
680
Плавка чугуна
материалов, поступающих в вагранку и получаемых при плавке.
В качестве примера такой баланс представлен в табл. 72 и из
рис. 423.
Рассматривая эти данные, можно видеть, «то жидкий чугун
образуется, главным образом, за счет металлической шихты
Рис. 423. Схема распределения материалов при плавке в вагранке
и в весьма незначительной степени за счет насыщения металла
углеродом, серой и фосфором из кокса. В других случаях возмо-
жен угар углерода и соответственно переход его в ваграночные
газы.
Шлак образуется в основном за счет флюсов, угара и загряз-
ненности металлической шихты, футеровки, золы топлива, от-
части за счет кислорода дутья.
Последний продукт плавки — колошниковые газы—-образу-
ются преимущественно за счет дутья ц углерода топлива. Значи-
тельно меньшее значение имеют влага и летучие кокса, а также
СО. известняка.
На основе материального баланса легко составить тепловой
баланс вагранки (табл. 73).
Плавчльц,1Ле печи и режим плавки в них
68!
Основными приходными статьями теплового баланса являются
теплотворная способность топлива и экзотермические реакции
при окислении составных частей чугуна. Теплота шлакообразо-
вания и дутья имеет подчиненное значение. Однако при подо-
греве воздуха соответствующая статья прихода может сильно
возрасти по своему удельному значению:
Температура воздуха, °C . .
Тепло, вносимое воздухом1, %
20 150 250 400 600
0,5 3,7 б,и 0,3 13,5
Так как полезным теплом следует считать только теплосо-
держание жидкого чугуна, то коэфициент полезного действия
вагранки, согласно балансу табл. 73, составляет 35,2%. Эта ве-
личина, наряду с температурой жидкого чугуна, может служить
оценкой вагранки,как плавильного агрегата, но зависит, главным
образом, от расхода топлива. При этом коэфициент полезного
действия вагранки понижается с увеличением расхода кокса не-
смотря на то, что температура перегрева чугупа повышается:
Расход кокса, %............ • 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0
К. и. д. вагранки, %........ 42,5 35,2 31,0 27,5 25,0
Понижение коэфнциепта полезного действия вагранки при
повышении расхода кокса происходит, главным образом, за
счет увеличения неполноты сгорания, нс отчасти также и за
счет увеличения количества отходящих газов (на 100 кг чугуна)
л соответственно — их физического тепла.
Эти две статьи расхода представляют важнейшие потери теп-
ла при плавке в вагранке (около 40% общего количества теп-
ла). Поэтому они должны быть по возможности уменьшены, что
наплучшим образом осуществляется путем понижения расхода
топлива. При этом следует всегда иметь в виду опасность уве-
личения угара чугуна — поэтому снижение расхода топлива дол-
жно иметь свои разумные технические и экономические пределы.
Оценивая работу вагранки по ее коэфициепту полезного
действия, нельзя забывать о том, что полезное использование
тепла затрудняется с повышением температуры. Поэтому работа
вагранки должна оцениваться также по температуре перегрева
жидкого чугуна. Оптимальное решение задачи лежит, таким
образом, в сочетании высокого значения коэфи-
циент а полезного действия и высокой темпе-
ратуры чугуна, что может быть достигнуто за счет „ото-
грева воздуха или улучшения конструкции вагранки.
I Расчет процента тепла, вносимого Подогретом воздуха, сде.таи в пред-
положении, что остальные приходные статьи табл. 73 остаются без изме-
нения.
682
Илавпа чугуна
Материальный баланс
Статьи баланса Колнг>й:хво, кг CocTqiJHhie чгитн шихты и
с Si Мп р S Г\ SiO,
Приход Металлическая шихта 1 100,0 0.0) (2.0) 1 0.8) 0.3) (0,07) (92,5) 0,9)
Кокс ' 12,0 3,0 040) 2,0 0,8 0,3 (0.3) 0,07 (1,0)** 92,5 0,9 (3,0)
Известняк .... 4,0 16,13 0,ОЗ 0,12 0,6 (3.0)
Футеровка .... 2,0 0О)_ (30) 0,08
Дутье 89,5 — — 1,4 0,6 —
И то г о . . . 207,5 13,13 г.о 0,8 0,33 0,19 92,5 2,98
Расход Жидкий чугун . . Шлак Газ 98,07 7,95 101,48 0,20 3,18 (102) 1,79 (0,65) 004 (0,34) 0,33 _(0,0_ 0,1 (0,38) 0,03 (93,85) 92,03 (43,1) 3,43
Итого. , , ! 217,50 3,18 1,79 । 0,64 0,33 0,13 92,03 3,43
* При составления материального баланса для упрощения примято-' скислы железа в золе
нога водорода, кк углеводорода; водород кокса образует ЩО; несъ фосфор шихты переходят
могут сказать суше ст не иного влияния на материальный баланс вагранки.
Цифры в скобках означают процентное содержание составляющих, цифры без скобок—-хслн
** Распределение Серы к гкса между металлом, силзким к газани принято ранный 25 ; 25; 50,
*** Состав газов приведен в весовых процентах. Пересчет на объемные проценты сухого
Остальные статьи расхода тепла (теплота шлака и общие
потери на лучеиспускание, конвекцию и нагрев футеровки)
имеют менылсс значение.
Последняя статья, в особенности потери на нагрев кладки,
сильно возрастает с уменьшением длительности плавки. В этом
случае расход топлива резко увеличивается за счет холостой
Плавильные печи и режим плавки в них
683
!' вагранки (иа 100 кг) •
Таблица 72
продуктов плавки. «. и %
ЛЬО, FeO MnO CaO^MgO Oi CO, co SO, j H..0
(0,1) (0,33)
0,1 (2,5) 0,33 (1L2) (0,7) (1,0) (1,0) (3,0)
0,30 (0,3) 0,14 0.08 (53) 0,12 0,12 (44,7) 0,36
0,01 2,)2 1,70
(22,8) (78,4) (0,8)
20,4 68,4 0,7
1,01 0,47 2,20 20,52 68,52 1,79 — — 1,06
(12,7) 'В. л) (2,64) (27,78) — — — — — —
1,01 1,07 0,2] 2,20 (0,48) (68,0) (18,4) (11,16) (0.12) (1,04)***
0,5l 68,52 18,99 12,28 0,12 1,06
1,01 1,07 0,2! 2,20 0.51 68,52 18,99 12,28 0,12 1,06
кокса и на побсркности металлической шихты находятся в виде FeO; в газах нет ни свобод-
п чУгУн; сера находится и свободном состоянии» Эти положения, хоте и. не точны, но не
честно составляющих ja W0 кг металлической шихты»
газа дает следующие результаты: С£Х=13,0%; СО = 13/2%; ; Оа—0,50%; 80.^0,06%
колоши и значительная часть тепла расходуется на нагрев хо-
лодкой футеровки вагранки.
Анализируя тепловой баланс, можно установить причины
неудовлетворительной работы вагранки и наметить мероприятия
для повышения ее коэфицпента полезного действия и темпера-
турь! перегрева чугуна.
Таблица 73
Тепловой баланс вагранки (по материальному балансу табл. 72)
Статьи приходя Кплич* тепли Кд.г 0) кг метал, шихты % Ствтьн расхода Колнч. тепда Кал-tOO кг метал, шихты %
1. Теплота полного сгорания кокса 8137-9,95 2, Теплота сгорания примесей a) Fe—1150 • 0,47 = 540 б) 5J-7423 - 0,2[ = 1560 в) Мп—1758-0 |6=. 280 г) S — 2153 • 0’06 - 130 3- Теплота шлакооб разования* 75 -7,95 4. Теплота дутья** 0,24 - 20 - 89,5 Итого: 81000 2510 600 430 84 5 10 95,9 2,9 0,7 0,5 100 1. Теплота жидкого чугуна а) Нагрев в твердом состоянии 0,18.1150,98,07 =20 400 б) Скрытая теплота плавления 50 - 9ч,07 = 4 900 в) Перегрев на 250* в жидкой СОСТОЯНИИ 0,22.250 -98,07 =4 ЗСО 2. Теплота жидкого шлама*** 375 • 7,95 3. Диссоциация из- вестняка**** 966 . 1,79 4. Химическая теп- пота газов (неполнота горения) , „ '2,20 • 1 ’ (8137—2497) • ——-— 5. Физическая тепло- та газов (температура газов 500°) (0,226 - 0,51 + 0,259- - 68-5 +0..59-12,28 + + 0,243. ’8,99+0,243 . • 0,124-0,476-1,(’б) 500 6. Потери на лучеис- пускание, конвекцию и нагрев кладки (по разности) Итого: 29 600 3 000 1 730 29 600 13 003 7 610 84 540 35,2 3,5 2,0 35,2 15,4 8,7 100
* Теплоту шлякообряэовзпня принимяем по формуле Л. Н. Pjimmi:
Q = 2,7 CdO — !lr7 * 2Н * 75 /x'rt.-7/к.?
** Теплотой дутья, хек и теплотой шихты. можно было пренебречь, ojiirapo при подо-
грене гнил ух a chia может иметь уже cyniri'Ti-ciiiioe siuhhiiiitC.
*** Т« цЛ0СиД1>|-'Ж Яиц г доменных 1ил iikcth ii*' iM. Л- Наклону можно принять;
Температура, ’С j.'ioo ИШ 1450 ШЮ
Qr До.370 ,'ь’п .’№—IOO 420-425 440 -42n
Ввгрэнгщцые шлаки, нк более кислые/ имеют несколько МСкьшую теплоемкость- 1< данной
случае принято тсплоь'ол^ржиние 37 о НЪл к,\
•*** Теплота диссоциации изнеатняма принята по М. А. Павлову в 966 /Сал на I к’<? СО,-
Плавильные печи и режим плавки в них
685
5. ПРОЧИЕ ПЕЧИ И РЕЖИМ ПЛАВКИ В НИХ
Кроме вагранки наибольшее практическое применение для
плавки чугуна имеют стационарные и вращающиеся отража-
тельные печи и электропечи, а также сочетание вагранки с отра-
жательной или электрической печью Эти агрегаты применяют-
ся в тех случаях, когда требуется получение жидкого чугуна
с очень высокой температурой (>1450°), с очень низким содер-
жанием углерода (<2,7%) или серы (<0,08% )2, с высоким
содержанием легирующих элементов, а также при необходимости
проплавлять большое количество стружки или крупного лома.
Выбор плавильного агрегата определяется не только техни-
ческими, но и экономическими соображениями, а также условия-
ми производства. Так, например, отражательные печи стационар-
ного типа имеют применение в производстве валков, когда
необходимо проплавлять большое количество крупного лома
и получать однородный и точный состав металла в значительных
количествах, Они применяются также при производстве ферроси-
лнда, когда нужно получать металл с низким содержанием
углерода, а также в некопвейерных литейных черносердечного
ковкого чугуна, когда требуется получение высокоперогретого
малоуглеродистого и малосернистого металла. Вследствие угара
углерода плавка при этом ведется на шихте с малым количест-
вом стального скрапа. Поэтому отражательные печи оказывают-
ся особенно выгодными, когда стальной скрап дорог или дефи-
цитен по сравнению с чушковым чугуном.
Во всех случаях возможно применение вращающихся отра-
жательных печей барабанного типа.
Электропечи применяются чаще всего при получении некото-
рых видов ответственного литья из серого чугуна, когда необхо-
дим очень высокий перегрев (поршневые кольца) или малоугле-
родистый и легированный чугун.
Что же касается двойных процессов (вагранка — электропечь
и вагранка .— отражательная печь), то они применяются при
больших масштабах производства и в конвейерных литейных,
главным образом, для ковкого чугуна я для ответственного
литья из серого чугуна (блоки).
а) Стационарные отражательные печи. Совре-
менные отражательные печи стационарного типа имеют простую
конструкцию. Старые печи с причудливой формой свода п с боль-
шим уклоном пода ио направлению к трубе или к топке, так
называемого немецкого и английского типа, теперь уже почти
I Тигельные печи почти полностью потеряли свое значению и Д^я плав-
ки чугуна при меняются очень редко.
686
Плавка чугпна
повсеместно оставлены и заменены печами с прямым сводом,
состоящим из отдельных съемных сегментов (арок), Под имеет
небольшой уклон к выпускному отверстию, которое распола-
гается чаще всего в боковой, реже в торцевой, стенке, как это
лид но из схем А. Н. Кривошеева и Р. С, Рудницкого (рис. 424).
*г5° ;
И50^ У77Л '<
gaazzza^zzs
Рис, 424, Схемы конструкций отражатель-
ных печей
Печц подобного ро-
да строятся от 3 до
80 г емкостью, причем
наибольшее примене-
ние имеют печи емко-
стью от 10 до 35 т.
В качестве примеров
на рис. 425 и 426 пред-
ставлены конструкции
5- и 15-тонной отра-
жательных печей,
Объем печи подби-
рается таким образом,
чтобы в нем сразу вме-
стилась вся садка, что
определяет размеры
ванны и высоту свода.
Чем меньше глубина
ванны, тем быстрее
можно перегреть чугун
до необходимой темпе-
ратуры, но зато тем
больше окисление ме-
талла и его примесей. Поэтому, как установила' практика, сред-
няя глубина ванны колеблется в пределах от 125 до 350 мм,
причем у летки она обычно больше на 75—180 мм для обеспе-
чения необходимого уклона (около 3,5%) в сторону выпускного'
отверстия.
Если считать, что 1 г чугуна вместе со шлаком занимает
объем 0,17 лг3, то в зависимости от глубины ванны нужно иметь
на каждую тонну металла площадь пода от 0,5 до 1,3 л«а. При
этом ширина печи, исходя из удобства обслуживания и устой-
чивости свода, обычно не превосходит 1,5—2,5 м, а длина
в зависимости от емкости печи и качества топлива колеблется
в пределах от 5 до 11 м. Так как горение ведут обыкновенно
так, чтобы пламя заполняло всю печь, то, естественно, что чем
длиннее пламя, тем больше может быть длина печи. Поэтому при
работе на короткопламеняом топливе приходится допускать ши-
рину печи до 3 и даже 3,5 м, чтобы иметь возможность сокра-
тить ее длину до 3,5—4 м. Удельный объем рабочего простран-
Плавильные печи и режим плавки в них
687
ства зависит от характера шихты и колеблется в пределах от
0,5 до 1,2 ms/t.
Согласно далиям Л. И. Фапталова. основные размеры я про-
изводительность отражательных печей представляются в следую-
щем виде:
Длина, м...................4,5 6,0', 7,0
Ширина, м . . ............... 1,25 1,6 2,0
Площадь, ..................5,6 9,6 '14,0
Емкость, т.................5—7 15—18 „; 25—30
Время плавки, час..........4—5 5—7 J 7—12
Рис. 425. Схема конструкции 5-TOimoft отражательной кечи
Рис, 426. Схема конструкции 15-тонпой отражательной печи
Для обслуживания гтечн а ее стенках делаются рабочие окна Сот 1 до 3
в зависимости от длины печи) размером от 300 X 400 до 41VI X 700 мм.
Кроме того, недалеко от заднего порога verpaHBae'iCfl сливное окно с же-
лобом, через которое остатки металла из ковшей сливаются обратно в печь
для их подогрева и использования.
688
Плавка чугуна
Кладка печи видна из рис. 425 н 426. На бетонный фундамент или нц
специальную железную конструкцию, устраиваемую дди уменьшения по-
терь через фундамент, кладут сначала красный, а затем огнеупорный ша-
мотный кирннх причем в местах, подвергаемых воздействию максималь-
ных температур, применяют кирпич первого класса.
Стены состоят обычно из двух рядов кирпичей, из которых один, в пол-
кирпича i(|25 м.н), представляет капитальную часть степы, а другой,
в целый кирпич (225 мм)—рабочую или сменную часть (для увеличения
площади лучейспускающего свода устраивают иногда уклон стен до 62°).
Между кирпичной стеной и кожухом целесообразно положить теплоизоля-
ционный слой Для уменьшения потерь тепла.
Кожух состоит из чугунных плит, укрепленных на стойках, прочно
заделанных подошвой на бетонном фундаменте. Такое устройство необхо-
димо потому, что наличие съемного свода делает невозможным применение
верхних тяг для укрепления обвязки. Под набивается обычно кварцевым
песком, но в больших печах- делается большей частью кирпичным.
Особо ответственной является первая половина печи, расположенная
ближе к топке, так как здесь развиваются максимальные температуры.
В этом отношении особо следует отметить передний порог, который при
работе с колосниковой решеткой и наличии топочной камеры подвергается
воздействию горячих газов с обеих сторон. При работе на мазуте передний
порог пропитывается каплями жидкого топлива, что способствует его раз-
рушению. Поэтому кладка переднего порога производится с большой
тщательностью на жидком растворе с минимальной толщиной шва (1 —
1,5 л<«(. Во избежание потерь тепла размеры окна над передним порогом
делаются всегда достаточно большими, чтобы газы из топочной камеры без
задержки попадали сразу в рабочее пространство. Поэтому в печах сред-
ней емкости эти окна имеют размеры от 500X500 до 600 X600 мм. Вы-
соту окна над задним порогом делают меньше (200—400 мм), чтобы со-
здать некоторый подпор газов. Все эти размеры, как и размеры рабочего
цроетрапстпа и топки, а также размеры дымовой трубы, создающей необ-
ходимую тягу, должны быть рассчитаны на основе общих теплотехниче-
ских и аэродинамических законов, излагаемых в курсе «Металлургические
псиц»
Отражательные печи работают на разных видах топлива,
расходуя при этом:
Каменного угля................. 35—40%
Каменноугольной пыли........... 30—35%
Нефтетоплива................... 15—20%
Таким образом, расход топлива в этих печах значительно
больше, чем в вагранках, что обусловлено менее эффективным
использованием тепла и меньшим коэфициентом полезного дей-
ствия (табл. 74).
Как видно из табл. 74, коэфициент полезного действия отра-
жательных печей составляет только 7,5—11,5% н, следовательно,
в 3—4 раза меньше, чем в вагранке, главным образом, вслед-
ствие большой потери физического тепла с отходящими газами
(около 70%). Поэтому для повышения коэфицнеита полезного
действия отражательных печей весьма полезно устройство по-
догрева воздуха за счет тепла отходящих газов,
Особо низким коэфициентом полезного действия характер»’
зуются печи, работающие на твердим топливе. Это обстоятель-
Таблица 74
Материальный н тепловой баланс отражательной печи
Нкиие иосан и с 25-ят печь н< угле печъ на nuAvitHAiiOM топливе
количество кг % килнч^сп о! кг | %
Садка
Общий вес садки, кг ....... 18 300 du. 27000 —
Чушковый чугун ... .... — 55.8 — 58.1
Литники . , , 29,2 мог 20,4
Чугунный ЛОМ ... . . ,— 12,0 — 9,9
Стальной лом — 3,0 11,6
Шлак
Вес шлака, кг 1 135 6,2 1180 4,37
Анализ металла
С, о/о .— 2,62 — 2,42
Si, “/о ... - . . - 0.99 — 0,89
Мп, % — 0,31 — 0,29
Р, % 0,118 — 0,136
& о/о 0,041 — 0,048
Угар элементов
С, % ... .— 0.73 — 0.51
Si, о/о - — 0,25 < 0,33
Мп, о/о 0,20 0,26
Топливо
Расход топлива, кг - . 8 450 46,2 7850 29,1
Время плавки, час 9,74 — 8,5 —
Время плавки под дутьем, % . . . — 35,9 ““ —
Время плавки без дутья, % , . . . —** 64,1 — ——
Кусковатькпь угля, мм....... 50—75 — —*
Зола в угле, и/п — 2,83 — 2,85
Влага в угле, % — 2,11 — —
Теплотворная способность, Кал1кг . 7 828 1—* 7754 —
Анализ газов
СО„ °/0 — 13,6 —- 13,4
СО, % 1.3 --W 1,3
Ог, «/о 2,8 —— 3,7
Na *— 82,3 — 81,6
Приход тепла
(на 1 т металла). Кал, %
Тепло топлива 3618 00*) 97,2 2 248000 96,1
Тепло реакции «2 000 2,2 77 80!) 3,3
1епло воздуха , 19 100 0,5 12 500 0.5
Тепло садки . , 1 7(Ю 0,1 1 7(0 0.1
Итого приход , , . 3 720 8и0 1U0 2 340 000 100
Расход тепла, Кал, °/о
Тепло в металле .......... 284 000 7,6 268 ООП 11,4
Тепло в шлаке 18 4О< 0,5 15000 0,7
Неполнота горения 186 950 5,1 91 000 3,9
Потери, Кал, о/о
Потери в газах 25888 ПО 69,6 1568(00 67,0
Потери в золе 782 00 2,1 —
Потерн на лучеиспускание 564 650 15,1 397 000 17,0
Итого расход . . 3 720800 100 2 340000 100
44 Зп. ВОВ
о90
Плавка чугуна
ство, наряду с тяжелыми условиями обслуживания подобных
печей, является причиной того, что они в настоящее время почти
полностью вытеснены печами, работающими на жидком или
пылевидном топливе !.
Как общее правило, воздух во всех случаях подается в два
приема, Первичный воздух распиливает и газифицирует топливо,
а вторичный дожигает его. При этом весьма важно выдержать
надлежащий уклон трубы, подводящей вторичный воздух, в пре-
делах 60—80° в зависимости от конструкции печи. Большие
углы вызывают разрушение кирпича в зоне форсунки, слишком
малые уулы способствуют переносу фокуса горения далеко в ра-
бочее пространство, причем подаваемый воздух вызывает боль-
шой угар металла. Давление вторичного воздуха обычно состав-
ляет 400—600 мм вод. ст. в зависимости от емкости печи.
Загрузка производится через съемные арки, причем внизу
и ближе к заднему порогу располагается легкоплавкий материал
(литник), а сверху и ближе к факелу —более крупный и туго-
плавкий (чушковый чугун, крупный лом). Для лучшего прохода
газов шихтовые материалы следует загружать рыхло, а у стен
и у свода оставлять свободное пространство (около 0,3 ж). Точно
так же и у рабочих окон следует оставлять свободное место
(0,3— 0,5 ж), чтобы дать возможность плавильщику обслужи-
вать печь.
Розжиг печи производится обычно дровами. Только после
разогрева камеры до температуры воспламенения топлива пуска-
ют специальную форсунку для разогрева печи, а потом уж.е
и основные форсунки.
Регулирование пламени в процессе плавки производится та-
ким образом, что в первом периоде (до расплавления) поддер-
живают короткий режущий факел для ускорения процесса плав-
ления, а во втором периоде (после расплавления) —длинный
настильный факел для равномерного нагрева ванны. Такое
регулирование пламени возможно при установке специальных
форсунок с регулируемым факелом (с увеличением количества
распылителя уменьшается длина факела).
Плавление шихты начинается у свода. В это время нижняя
часть садки имеет температуру около 500—600°, и капли метал-
ла, стекающие сверху, сваривают холодные куски металла в не-
большие глыбы, которые разбиваются плавильщиком. Плавление
шихты происходит по зонам, постепенно (от переднего к заднему
порогу). Когда образуется жидкая панна, у заднего порога еще
остается чушковый чугун или крупный лом. Для форсированного
расплавления твердого чугуна можно после этого скачать пср-
* Отражательные печи на газовом отоплении также редки, что обуслов-
пинается экономическими соображениями.
Плавильные печи и режим плавки в них
691
вый шлак, что приводит к быстрому прогреву ванны. Путем
энергичной шуровки можно при этом ускорить расплавление.
Этот способ, однако, дает большой угар. Другой способ заклю*
чается в сталкивании кусков чугуна под шлак, что уменьшает
угар, но затягивает плавку,
Когда первый период (плавление) заканчивается, скачивают
окислительный шлак и заводят новый из извести и песка, чтобы
уменьшить угар углерода в процессе перегрева. Если большой
угар углерода необходим, его можно форсировать путем введе-
ния руды. Науглероживание ванны возможно в некоторой степе-
ни углеродосодержащими добавками (например, , мазутным
коксиком), но лучше всего добавкой чушкового чугуна или
жидкого ваграночного чугуна1. Добавка жидкого чугуна произ-
водится также в период плавления (через 2,0—2,5 часа), что
ускоряет процесс плавки,
Посверка состава металла в процессе плавки производится путем
экспрес с-а и а л и з а. Кроме того, периодически заливаются технологи-
ческие пробы, по излому которых можно судить о составе металла, Однако
при этом следует всегда иметь в виду и влияние температуры, с повыше-
нием которой отбел проб увеличивается при одном и том же составе чугуна.
О перегреве чугуна судят по пирометру, ио виду поверхности металла или
по величине жидкотекучести чугуна. Для этой цели металл забирается из
печи специальной ложкой.
Во время всего процесса плавки плавильщик должен следить за состоя-
нием арок на своде печи и подтягивать их во избежание выпадения кир-
пича вследствие усадки его при нагреве.
Когда металл готов и проверен по экспресс-анализу и по излому тех-
нологических проб (на отбел. на выделение графита и т. Д.). приступают
К выпуску, предварительно скачав шлак. При этом следует иметь в виду,
что во время длительного выпуска металла (до 1—1,5 час. при ручных ков.
шах) состав его меняется и, в частности происходит утаи углерода (по
0,15—0,20% в час). Для предотвращения этого угара оставляют шлак в пе-
чи и держат менее окислительное пламя.
Наблюдение за жидким чугуном при выпуске дает возможность су-
дить о его составе. Светящийся ореол с искрами и густые клубы желтого
дыма свидетельствуют о большом угаре железа при низком содержании
кремния и высокой температуре металла. Ореол из синих огоньков, окру-
жающих металл, свидетельствует о низком содержании марганца. Спо-
койное течение металла без искр говорит о высоком содержании кремния.
Большое количество искр, связанное с большим газовыделением, наоборот,
свидетельствует о низком содержании кремния, причем сильные разрывы
имеют место при высоком содержании углерода вследствие образования
большого количества СО. Падение же искр без разрыва говорит о низ-
ком содержании в чугуне углерода.
Правила техники безопасности при плавке в отражательных печах не
представляют ничего специфического. Для предохранения от ожогов пла-
вплыдики должны снабжаться соответствующей спецодеждой (лучше всего
Hi брезента), очками, рукавицами, шляпами с широкими полями. На уча-
стке печи не должно быть разлитой волы или сырого песка, а также го-
рючих материалов, Ковш и участок вокруг печи должны быть своевре-
менно просушены. Инструмент для пробивки и заделки {в случае необхо-
димости) выпускного отверстия должен быть всегда в достаточном ко-
личестве и надлежащем порядке.
44*
692
Плавка чугуна
б) Качающиеся и вращающиеся отражатель-
ные печи. Отражательные печи могут быть не только стацио-
нарными, но также качающимися и вращающимися.
Конструкции этих печей весьма разнообразны, но все они
барабанного типа и имеют вращение вокруг горизонтальной или
наклонной оси. Отопление их производится каменноугольной
пылью или мазутом, причем форсунки устанавливаются с одной
стороны оси вращения, а продукты горения уходят с другой сто-
роны. Таким образом, печь имеет возможность вращаться во
время плавки. Это вращение со скоростью 0,5—1 об/мин способ-
ствует лучшей теплопередаче, так как металл нагревается при
этом не только сверху, но и снизу вследствие того, что нагретый
свод через полоборота становится подом. Благодаря этому плав-
ка и перегрев чугуна происходят быстро, а расход топлива сни-
жается, в особенности при подогреве воздуха за счет тепла
Завалочная
Вертикальное полозкение
при футеровке барабана
Рис. 427, Вращающаяся отражательная печь барабанного тяпа
Наклонное полакени
при заВалкн
ОпиЗвигаяшаяря форсунку
отходящих газов. Плавка в 4 г печи подобного рода длится
только 3 часа, в 10-г—5,0—5,5 час,; расход условного топлива
составляет 15—20%; температура перегрева чугуна колеблется
в пределах 1400 — 1525°; коэфициент полезного действия печи
достигает 22—30%.
Плавильные печи и режим плавки а них
693
Показанная на рис. 427 печь может вращаться не только
вокруг горпзолт.тлмюн, ио и вокруг вертикальной оси, что облег-
чает завалку и ремонт. Для этого печь устанавливают в наклон-
ном или вертикальном положении в зависимости от того, про-
изводят ли з.|валку или набивку футеровки, Нужно заметить,
что несмотря на все преимущества, эти печи требуют сложного
ухода и не получили у нас распространения.
в) Электропечи. Плавка чугуна в электропечах обеспе-
чивает получение точного состава металла и высокого перегрева
До Пос иг цгрсггры^а
Рис. 428. Сраинсние структур и скотств чугуна при плавке в вагранке
В электропечи
(до 1600°). Поэтому при одном и том же составе металла выде-
ления графита в чугуне размельчаются, и свойства чугуна повы-
шаются (рис. 428). Однако это справедливо только при пра-
вильном ведении процесса плавки. При неудовлетворительном
ведении процесса свойства чугуна могут оказаться не лучше,
чем при плавке в вагранке. По мнению Д. П. Глухова плавку
чугуна следует проводить с максимально возможной скоростью,
так как всякое затягивание процесса, способствуя насыщению
металла газлгн, ухудшает его свойства.
Большое Значение имеет обработка чугуна шлаками. Иссле-
дования показывают, что следует избегать окислительных шла-
ков. При образовании же таких шлаков, например для окисления
примесей, их нужно скачивать й заводить новые, причем панлуч-
шие результаты дают карбидные шлаки. Для получения высоких
свойств чугуна шихта составляется с большим содержанием
стального скрапа (40—80%), причем добавку ферросплавов
или электродного боя производят после скачки первого шлака.
При плавке чугуна чаще нечто применяются кислые дуговые
печи, как более экономичные, хотя в некоторых случаях имеют
применение п другие электропечи (основные дуговые, высоко-
частотные). Конструкция этих печей и режим плавки принцп-
694
Плавка чугуна
пиально аналогичны тому, что имеет место в сталелитейном
производстве при процессе простого переплава. Расход электро-
энергия составляет 650—850 квч)т в зависимости ш- типа И ем-
кости электропечи и степени перегрева жидкого чугуна.
Сопоставляя расход энергии на плавку 1 г чугуна в разных
печах, получим:
Тип печи Вагранка Отражательная печь Электропечь
Расход энергии на
плавку 1 m чугуна,
А'дл/г...........(0,55—0,85)10» (1,7—3,0)10° (0,56—0,73)10"
Таким образом, расход энергии (в калориях) при плавке
в электропечи оказывается таким же, как и при плавке в вагран-
ке, а коэфициент полезного действия электропечи, учитывая
более высокий перегрев чугуна, еще больше, чем у вагранки, но
экономические преимущества практически оказываются всегда
на стороне вагранки, так как электроэнергия обходится обычно
дороже, чем кокс. Кроме того, обслуживание электропечи тоже
дороже, чем обслуживание вагранки, В итоге плавка в электро-
печи (без материалов) обходится примерно в 3—4 раза дороже,
чем плавка в вагранке, Поэтому применение электропечи для
плавки чугуна может быть оправдано только особыми техниче-
скими соображениями,
г) Двойные процессы. Идея применения двойных
процессов заключается в использовании вагранки, как наиболее
дешевого и теплотехнически выгодного агрегата, для расплавле-
ния металла и какой-либо другой печи (отражательной или
электрической) для перегрева, легирования и дегазации жидкого
чугуна Обессеривание, если оно необходимо, проводится
в ковшах при выпуске чугуна из вагранки.
Двойные процессы применяются обычно в больших конвейер-
ных литейных и особенно часто в литейных ковкого чугуна,
причем в СССР наибольшее применение имеет двойной процесс
вагранка — электропечь и реже: вагранка — оважательная
печь, *
Нужное содержание углерода стараются получать уже
в вагранке путем соответствующей шихтовки и режима плавки,
но в случае необходимости в электропечь дается некоторое коли-
чество твердой стали для уменьшения содержания углерода
в чугуне, Так же и ферросплавы обычно дают в электропечь,
чтобы избежать угара их в вагранке.
1 Если к двойному процессу ирпбавить конпертор, в котором часть
чугуна (примерно ЗСУ/о) будет продуваться на сталь, э потом смесь чугуна
со сталью будет рафинироваться я нерсгрспатьея в электропечи, то полу-
чится тронной процесс. Однако этот процесс сложен, требует синхронной
работы трех агрегатов и применяется очень редко
Плавильные печи и режим плавки в них
695
Работа большей частью начинается с расплавления твердой
завалки в электропечи с таким расчетом, чтобы к началу смены
иметь жидкий чугун для заливки форм. Затем по мере выдачи
металла из электропечи происходит регулярная подача жидкого
чугуна из вагранки. При этом для готового чугуна из электро-
печи применяются обычно ковши меньшей емкости, вследствие
чего за каждой подачей чугуна из вагранки следует соответст-
венно несколько выпусков из электропечи. Заливка ваграночного
чугуна в электропечь производится чаще всего через рабочее
окно посредством небольшого убирающегося жолоба и реже —
через выпускное отверстие.
Электропечи применяются обычной конструкции, как и для
стали, но только с менее мощным трансформатором. Вследствие
более жестких условий работы иногда несколько поднимают свод
печи, чтобы уменьшить воздействие на пего лучистой теплоты.
Работа производится только на низкой ступени напряжения
(100—120 в), причем расход электроэнергии в зависимости от
производительности, степени перегрева и других условий колеб-
лется в пределах 80—200 квч!т, расход электродов — 3—5 иг[т.
бремя пребывания жидкого металла в электропечи составляет
30—40 мин,, что вполне достаточно для перегрева чугуна на
150—200° (например с 1300 до 1500°). В связи с этим емкость
электропечи может быть на 30—50% меньше часовой произво-
дительности вагранки. При этом, выбирая печь, следует иметь
в виду, что обычные 3-г печи для твердой завалки вмещают
5—б т жидкого чугуна, а 5-т печи— 10 г.
Шлак заводится без добавок флюсов из ваграночного шлака,
приносимого жидким чугуном, и футеровки электропечи.
Однако, несмотря па все технические преимущества двойного
процесса вагранка — электропечь, экономически в некоторых
случаях оказывается более выгодным комбинирование вагранки
с отражательной печью, Эти выгоды особенно ярко проявляются
при дешевом топливе и дорогой электроэнергии. Имеют'значение
также дороговизна и дефицитность стального скрапа, так как
угар углерода в отражательной печи дает возможность вести
плавку в вагранке на шихте с очень низким количеством стали
или даже вовсе без стального скрапа.
Установка вагранка — отражательная печь осуществлена на
Люберецком заводе и показана на рис, 429.
Чугун из вагранки направляется по жолобу прямо в отра-
жательную печь, где он подогревается примерно до 1500°. При
этом одновременно происходит также угар углерода — в тем
большей степени, чем выше температура, чем больше окислов
железа в шлаке и меньше глубина ванны, Обычно чугун из
вагранки содержит 3,2—3,4% С, а из отражательной печи —
696
Плавка чугуна
2,35—2,65% С, Исправление состава чугуна может быть легко
сделано путем присадки стали, чугуна или ферросплавов в отра-
жательную печь,
По данным Б, В, Архангельского, перегрев жидкого чугуна
может быть получен при пребывании его в отражательной печи
около 2 час,, в связи с чем оптимальное отношение емкости
Дагранка^з
Млакоотде-
литель
Жолао
КЦхмр&й
_________
ДЫмоход
ПечЬМ
i Вагранка
№1
- — Вечд №?
Окна Зля
[ ггобспу^сивания
' / печи
Летки для 6bmy-
, ска металла
ооо Форсунки
ТИПУ
Сопла для
подачи
втопиинсео
доэауха
(
Рис. 429, Установка двойного процесса (вагранка—отражатель-
ная печь) на Люберецком заводе
отражательной печи к часовой производительности вагранки
составляет:
емкость отражательной печи _ 2q_J4
часовая производительность вагранки ’ '
Расход топлива и экономика плавки в сильной степени зависят
от производительности цеха, с повышением которой двойной про-
цесс становится все более рентабельным. Так, например, опыт
Люберецкого завода показал:
Выпуск чугуна. т[смена......... 4,5 40 35 30
Расход мазута, %...............15,5 16,0 17,0 19,0
Расход кокса в вагранке не превышают обычно 10%, так как
при низком расходе кокса снижается содержание серы в чугуне.
Перегрев же металла все равно осуществляется в отражательной
печи, вследствие чего температура чугуна из вагранки может
не превышать 1300°, Конструкция плавильных агрегатов не от-
личается от обычной, за исключением того, что высота свода
в отражательной печи делается ниже ввиду отсутствия твердой
завалки.
Установка обеспечивает непрерывное получение высококаче-
ственного чугуна.
ЛИТЕРАТУРА
Введение
I. Ю. Л. Нехендзи, Роль русских и советских ученых в развитии
науки о литье металлов, Сб. «Литейное производство», ЛОНИТОЛ, 1949.
2. Н Н Рубцов, История литейного производства в СССР, Машгиз,
1947, т. I,
К главе I
1. А. Д. Ас с око в и В. И. Прядилов, Дисперсионный метод отжига
ковкого чугуна, «Вестник машиностроения», 1942, Хе I; 1943, № 6.
2, П. П. Б е р г, Курс формовочных материалов, Металлургиздат, 1933.
3. П П Берг Основы учения о формовочных материалах, Машгиз.
1943,
4. И. Н. Богачев, Металлографические основы получения качествен-
ного чугуна, Металлургиздат, 1941.
5, А. Бойльс, Образование графита в. чугуне, «Трансекшенс АФА»,
1938, № 2; реф. «Металлург», 1939, № 4—б,
6, А. Е. Брюханов, О распаде цементита под нагрузкой, «Метал-
лург», 1934, № 5.
7. А. А, Б о ч в а р, Исследование механизма и кинетики кристаллизации
сплавов эвтектического типа, ОНТИ, 1935,
8. К, П. Буни и, Отбеленный чугуя, Металлургиздат, 1947. Железо-
углеродистые сплавы, 'Машгиз, 1949,
9. К П, Б у и и и, Я. В. Г р е ч н ы й и П, К и р и ч е к, О механизме
кристалл из а цк н ледебурита, «Труды ЦНИИ МТМ», 1947, № 2,
10, Н. Г. Г и р ш о в и ч, Чугунное литье, Кубуч, 1935.
II, А. И. Гуляев, Металловедение, Оборонгиэ, 1948.
12. С. Дамико и Р, Шнайдевинд, Затвердевание и графитизация
серого чугуна, «Трансекшенс АФА», 1941, № 4.
13. Н, Н. Доброхотов, Расчеты времени затвердевания отливок и
прогревания стенок литейной формы, «Вестник машиностроения», 1948, № 8.
14. П. Д. Д а н к о в, Теория образования фаз, «Известия сектора физико-
химического анализа», АН СССР, 1943, № 1,
14а, В, И. Д а пил он к др. Проблемы металловедения и физики метал-
лов* Металлургиздат, 1949.
15. В. Ф, Зубарев, К вопросу о разложении цементита в толстостен-
ных отливках при отжиге ковкого чугуна, «Литейное дело», 1939. Xs 1.
16. К, А. Е р е м и н, Образование графита в чугуне, ОНТИ, 1938.
17. И, Л, 'М н р к и н, Исследование эвтектоидной кристаллизации стали.
Структуры и свойства сталей и сплавов, Сб. «Труды МИИС», Оборонгиэ,
1941.
18. Г. Моррэ и В. Вильямс, Образование графита в сером чугуне,
«Фаундри Трейд Джернал», 1947, № 1616, 1617.
19. Модифицирование чугуна, АН СССР, 1942, т, 1.
20. Ю. А. Нехендзн. Стальное литье, Металлургиздат, 1948,
21. М. Г. О к н о в. Металлография чугуна, изд. 2-е, 1938.
22. В. Паш к ис, Изучение затвердевания отливок, «Америкам Флундри*
мен», 1945, № 5.
23. Е. М. Розенберг Величина зерна в чугуне «Литейное дело»,
1938, № 1 и 6,
698
Литература
24. С. А. Салтыков, О роли центров графитизации при отжиге кой-
кого чугуна, «Металлург», 1939, № 8; «Заводская лабор;1Торня», 1939, № 5.
25. К, Ф. Стародубов и И. В. Монахова, о дендритной струк-
туре в сером чугуне, «Металлург». 1937, № 1.
28- Г. И, Троицкий, Свойства чугуна, ГОНТИ, |941.
27. Я. И. Френкель, Кинетическая теория жидкости, АН СССР. 1946.
Введение в теорию металлов- Гостехнздат. 1948.
28. Г. ШварЦ, Превращение твердого цементита в железо ц графит,
«Джернал оф Айрой энд Стил ннститкн», 1938, II.
29. Г Шварц, Кинетика графитизации белого чугуна, «Трансекшенс.
АСМ», 1942, г, 30, № 4.
30. Я. С. Уманский, Б. Н. Финкельштейн, М. Е. Бла яте р.
Физические остовы металловедения. Металл ургиздат, 1949.
К главе II
I. А. А. Байков, О высокоуглеродистых фазах в сплавах железа
и углерода, «Журнал Русского металлургического общества», 1914, № 6.
2. П. Ба ст и е н и Л. Гийе, Влияние специальных добавок на некото-
рые свойства чугуна, «Ревю де Металлюржи», 1939, № 4, 5, 6.
3. И Н. Б о г а ч е в, Металлографические основы получения качестосн-
ыого чугуна, Металлургиздат, 1941.
4. И. Н. Богачев, Основы модифицирования чугувд, Машгиз, 1948.
5. А, Б о й л ь с, Влияние атмосферы и давленая на структуру Fe—С—St-
сплавов, «Металс Тсхполоджн», [939. № 3.
6. Г. Я. Вейнберг, Кислород в чугуне. Сталь, 1940, № 8.
7, И. Г. Г и р ш о в и ч. Чугунное литье, Кубуч, [935,
8. А. А Г о р щ к о в. Качество штыковых доменных литейных чугунов,
«Сталь», 1945, № 2—3.
9. А А, Г о р ш к о в, Выбор чугуна, как штыкового материала в литей-
ном производстве в связи с вопросами его наследственности, «Труды Ур.
иидустр. иц-та», Сб. 26, Металлургиздат. 1945.
10. Н, Т. Г у д ц о в, Ф, Д, Баранов и О. О. Кузьмина, Изучение
явления черного излома стали в связи с установлением природы так назы-
ваемого графита, «Металлург», 1936, We 5 и 6.
11, А. П. Гуляев, Металловедение, Оборонгиз, [948.
12. А. П. Гуляев, Исследование фазового состава быстрорежущих
сталей, «Сталь», 1946, № 3.
13. Л, С, Д л у г а ч, В. К. Дегтярева и К. Ф, С т а р о д у б о'в.
Влияние Мп на положение линий диаграммы Маурера, «Металлург», [936, № 11.
14, Н. П. Дубинин, Производство кокильного литья, Матпгиз, 1947.
15. А. С. Завьялов, К теории легирования и термической обработки
стали. ЦНИИ НКТП, 1943.
16. Л. И. К а к у р и и. Логарифмическая зависимость между содержа-
нием С и Si и толщиной стенок в чугунных отливках, «Труды Сталинград-
ского механич. ин-та», 1940.
17. М. Н. Куяявский, Термическая обработка чугуна, Сборник тру-
дов конференций по термической обработке, 1948.
18. А, Ф. Лайда, А. Г. Ардашннков и А, Л. М. и р н и Й. Хром,
алюминий и титан в ковком чугуне, «Литейное дело», 1935, № 5,
19. Г. Л а п л а н ш, Диаграмма Маурера, ее развитие и новая струк-
турная диаграмма для чугуна, «ФауиДрп Тренд Джернал», 1948, № 1169,
1670, 1671.
20, 'Модифицирование чугуна, АН СССР, [942, т. I,
21. Г. Моррэ, Металлография включений в чугуне, «Фаундри Трейд
Джернал», 1941, № ,274—1278; Нейтрализация серы разными легирующими
элементами, «Джернал оф Айрон энд Стил инститют», 1946, XIX. № 13.
Литература
(i99
22. Ю, А, Нехендзи, Стальное литье, Металл ургиздат, j gig
23, Г. Н. Н и к о л j е в,’Влияние термической обработки иа механические
свойства Легированных чугунов. «Вестник машиностроения», гою. № 5.
24. Новейшие работы по ковкому чугуну, Металлургиздат, ННИТОЛ,
1934, стр, 50.
25, М. Г. Ок ио д Металлография чугуна, изд, 2-е, 1938.
26. И. П. Рабинов и ч. Термическая обработка чугунных деталей
сельскохозяйственного машиностроения, Машина, 1948,
27. В. П. Резоб нов и Л. С. Рыбаков, Влияние качества чугуна
на качество стали, «Уральская металлургия», 1939, № 9.
28. В. Я. Ром’ашева, Изучение термического режима различных слое»
литейной формы, наполненной металлом, «Литейное дело», 1936, Na 8—9,
29. Г. Н, Троицкий, Свойства чугуна, ГОНТИ, 1941, ~
30. Я. С. Уманский, Карбиды твердых сплавов, Металлургиздат, 1947.
31. Ю, Я. Фниарти и Г. Ф. Тихонов, Отбед поршненого кольца
ГАЗ, «Литейное дело», 1939, № 2—3.
3!2 . Д. Херст и Р, Рилей, Исследование остаточных газов в чугуне»
«фауидри Трейд Джернал», 1948, № 1678, 1679.
33. И. И. Хорошев, Ковкий чугун легированный марганцем, Сельхоз-
машина, 1949, № 2.
34. Г. И, Погоди н-А лексеев. К вопросу о природе углерода от-
жига, «Теория и практика металлургии», 1936, № 12,
35. Г. Шварц, Г. Г в л л е р и ,‘>1 Барне т, Значение водорода в ме-
таллургии ковкого чугуна, «Трансекшенс АСМ», 1940, № 4.
36. А, Ш и е б л п Д, Ч и и м е н, Факторы, сопутствующие перегреву
чугуна, к их влияние на его структуру и свойства, «Трансекшеис АФА»,
1944, т. 52, № 1,
К глазе 1П
1. И. П. Берг, Чугун, Энциклопедический справочник «Машинострое-
ние», Машгпз, 1947, т, 4.
2. П. П. Берг, Основы теории проницаемости литейной формы. «Бюл-
летень литейщика», 1946, Ng 1.
3. П. П. Берги Н. В. Дмитриев, Заполняемость чугуном литейной
формы, «Литейное дело», 1937, № 3,
4. А. А. Боцпар. К вопросу об оптимальном содержании эвтектики
в литейных сплавах, «Известия АН СССР», 1944, № 6.
5. А. А, Б о ч в а р и О, С. Ж а Д а е в а. Юбилейный сборник трудов.
МИЦМЗ, Металлургиздат, 1943.
6. А. А. Б о ч в а р и 3. И .С в и д е р ска я, О разрушении отливок под
действием усадочных напряжений в период кристаллизации в зависимости
от состава сплава, «Известия АН СССР». 1947, № 3.
7. А. А, Б о ч в а р, Э. А. С в и дер с к а я и Е. К. Корбут, К вопросу
о расширении некоторых сплавов при кристаллизации, «Известия АН СССР»
1947, № 4.
8. Г. Вомушель и К. Сигерфус, Влияние формы на усадочные
раковины в чугунных п стальных отливках, «Фаундри Трейд Джернал»,
1940, № 1260, 1261, 1262.
9. Н. Г. Г и р ш о в и ч, Чугунное литье, Кубуч, 1935.
10. Г. Н. Грищенко, О напряжениях в чугунных отливках и способах
борьбы с ними, «Металлург», 1935, Хе 5,
11. В. И. Добаткин, Непрерывное литье и литейные свойства сплавов,
Обором гнз, 1948,
|2. Е Зомерс и Д, Гунтер, Газы в чугуне, «Фаундри». 1917, № 3.
13, Н. В. Калакуцкий Внутренние напряжения в чугуне н стали.
1897.
700
Литература
14. Л. И. Л t ti и, Влияние физического состояния доменного чугуна на
□бразовзние гн.юных’ раковин, «Литейное дело», .V
15. А. М. Липницкий, О старении чугунных ct.i и зпк. «Бюллетень
литейщики», 1934. № 7—8-
16. Д. М Мод ел свич и В. Л. Абрамов, Иснытпнпс стержневых
сменен ни [-,|.чотзорную способности, «Бюллетени литейщика», |щз, № 1.
17, II, Г. Петров, Влияние химического составь и температуры дилцвки
iw Жидкотекучесть чугуна, «Литейное дело», 1936. Хз 6.
18. 10. А. Нехендзи. Стальное литье, Металл у ргиздат, 1018,
19. В. М. Пище в. Изучение газотворной способности стержневых
смесей, «Литейное дело». 1941, № 3.
20. С. Е. Розенфельд, Влияние отпуска на снятие внутренних напря-
жений в отливках серого чугуна, Машгиз, 1944.
21. С. А. Скоморохов, Исправление деформированного крупного чу-
гунного литья, «Литейное дело», 1937, № 4.
22. Я. А. С и о.-j я и и ц к п й, Ускоренный метод снятия напряжений
в литых конструкциях, Труды Металлургического факультета ДПИ
им. Н. С. Хрущева, Сталине, 1948, вып, 2.
23. М, П. Сл а в и н с к и й, Явление «обратной» ликвации в железных
сплавах («твердовины» и «черновцны»), «Металлург», 1939, № 10—11.
24. Ф. Н. Т а в адзе и Р. Б. Звеннпкая, Кривые для производ-
ственного определения усадки серого чугуна. Труды Института металлов
и горного дела АН Грузинской ССР, Тбилиси, 1947, т. 1.
25, А. Тимминс, Образование усадочных раковин и усадка в чугуне,
«Фауидрп Трейд Джсрнал», 1938, № 1152; Практика и теория образования
усадочных раковин в отливках из серого чугуна, «Трапсекщенс АФА»,
1912, № 4.
2С>. Г, И. Троицк и й. Свойства чугуно, ОНТИ, 1941.
27. Н, И. Фейгин и И. С. Мнссовер, Устранение горячих трещин
Па рабочей поверхности колес Гриффина, «Литейное дело», 1935, № 5.
28. Ю. Я, Финарти, Газовые явления в песочной форме, «Литейное
дело», 1939. №1. >
29. В. М, Шестаков. Предупреждение коробления чугунных отливок,
«Литейное дело», 1938, № 6,
30. Д. Ш о м, Конвекционные токи в сером чугу'пе, «Фаундри», 1947, Xs 9.
К главе IV
1. АФА, Легированные чугуны, Машгиз, 1941.
2—3. К, И. Ващенко, Модифицированный чугун, Машгиз, 1946
4. П П. Б е р г. Чугун, Энциклопедический справочник «Машинострое-
ние». Машгиз. 1947, т. 4,
5. В. Берре и К. Г е й к с, Сталпстая шнхтп и шрксляторы для серого
чугуна, «Фаундрн Трейд Джерпал», 1944, № 1460—1462.
6. И. Е. Б р а й и н н. И. И. Бер и а д с к и й. Г. Г. Б р у щ е н к о,
Влияние термической обработки на механические еиойства серых чугунов,
«Литейное Лело», 1938, № |.
7. II, Г. Г и р ui о вп и, Mcxfinii’iecKiie споГнtiki чугуна, «Труды Хпрьк.
ип-тя угоне рш. ииж.», 10-i0.
8 Н, Г. 1 нршовпч, О деформациях чугуна, «Литейное дело», 1940,
№ 4—5.
9. Н. Г. Г и р ш о в и ч и А. Я. И о ф ф е, К вопросу получения высоко-
качественного модифицированного чугуна, «Литейное производство»,
ЛОВНИТОЛ, 1949.
Л fseparifpa
701
10. И Д. Л а п к ii л, К. вопросу о влиянии меди па качЦСТцо серого чу-
гуна. «Литейное дело», 1937. № |0.
1|. Н. М. Л с и a ii о н, Железочугучные отливки, Маии'и.ч, lots.
12. Ю, С. Л е ii дерм a it и Н. И.. Ф е ii и к, I3,'iiitinni' молибдена
на cnoHi'Tiiii чугун.-! ((>бг)зр.) «Литейное дело», НПО. № 3.
13. Т. И. '.А и к е с п, Влияние нагрева на механические CBOiicTn.-i прокат-
ных валкон, «Металлург», 19'10, № **
I'l- I'. Н. II н кол ае в. Влияние термической обработки па механические
свойств;! легированных чугунов, «Вестник машиностроения», 1948. ЛЬ Г,.
15. И. А. Одни г, Чугун, как конструкционный материал, «Вестник
машиностроения»-, 1943, № 6.
16. И. A. G д'н н г. Релаксация и ползучесть металлов, ЦНИИТМАШ, 1946.
17. И. А. Одинг, Допускаемые напряжения в машиностроении и цикли-
ческая прочность металлов, Машгиз, 1947.
18. Л. Е. Омельянов, Испытание отливок серого чугуна на перере-
зывание методом Людвига. «Сельхоз, машина», 1937, Xs 2; Свойства и кон-
троль литья из ковкого чугуна, «Сельхоз. машина», 1938, № 7.
19. Г. И. Погодин-Алексеев, Термическое улучшение серого чу-
гуна, «Вестник инженеров и техников», 1940, № 2.
20. В И. Просвирни, Исследование азотирования и последующей
термообработки стали и чугуна, ЦНИИТМАШ, 1934, № 7.
21. В, Я. Ромашева. Влияние температуры заливки и скорости охла-
ждения на механические качества низкокремнпстОго чугунного литья, «Ли-
тейное дело», 1935, № 5.
22. Я. А. С м о л я н и ц к и й, Изучение -влияния нагоаночного шлака
на структуру и свойства чугуна, «-Литейное дело», 1940, № 7.
23. Ф. И. 'Га падле, Влншнш синтетических шлаков на свойства чу-
гуна, «Литейное дело», 1939, № 2—3.
24. Г, Т и М е и с. Ф. Кросби и Л Гер ц и г, Взкалка и отпуск серого
чугуна, «фаундри Тренд Джсрнзл». 1939, № ||89
25. М. Бекер, К. К о н в с й, Поведение пяти сортов чугуна по отно-
шению к ползучести и росту при повышенных температурах, «Фаундри Трейд
Джернал», 1936. № 1030, 1031.
26. Я. Б, Фр и дна н, Механические свойства Металлов, Оборонгпз, 1916.
27. и. и. Хорошев, Ковкий чугун, легированный марганцем, «Сель-
хоз. машина», 1940, № 2.
28. В. Целиков и Л. Пастухов, Влияние титана на улучшение
чугунных отливок автодеталей, «Автотракторное дело», 1938, № 7.
29. В. М. Шестаков, Чугун с повышенным содержанием марганца,
«Литейное «тело», 1938, № 10.
К главе V
1. Г. В. Акимов. Теория и методы исследования коррозии металлов,
АН СССР, 1945; Осноны учения о коррозии и защите металле и, Металл у рг-
издат, 1946.
2. А. И, Б о ч п а р. В. П. Филиппов, Т. Г. Т Уманский, Пере-
рожден пс чугунных труб, «Вестник металлопромышленности», 1934, N1? 8—9.
3. И. Ф. В я ч и в к о и, О росте ’iyryn;i. «Литейное дело», IТЛ. А» II.
4. И. Д о и-и л ь д с о и, Кг|И1Гг;,|шч к чро.шн литых метал.иш и силанов,
«Фпунлрп Тренд Джирная», 1938, № 11 16.
5. 11. Г. Г и р ш о в и и и А. Г, Т я у б м я п, Приягиевие хал плотского
чугуна для станочного лптья, «Литейное дело», 1939, № 5.
702
Литература
6. И, С. Григорьев, Чугун типа «Миханит» — материал для химиче-
ского машиностроения, «Химическое машиностроение». |940. № 6.
7. Б. К. Климов и 1М. П. Славинский, Устойчивость чугунных
отливок в химической промышленности в зависимости от природы и строе-
ния, «Металлург», 1935, № 12.
8. Д. В, К он в и capo в. Трение и износ металлов. Мшпгнз. 1947.
9. В. С. Меськин, Ферромагнитные сплавы, ОНТИ. 1937.
10. В С Меськин и Б. Е. Сомин, Электротехнические чугуны,
ОНТИ, [935.
11. В. В. Скорчел летти и А. II. Шултигг, Химическое разрушение
металлов, Металлургиздат, 1934.
12. В, И. Смирнов и Г. Н. Не pia ни цк а я, Исследование свойств
жароупорных алюминиевых чугунов, «Металлург», 1940. № 3.
13. Г. Н. Троицкий, Свойства чугуна, ОНТИ, 1941.
14. Н И, ф е й г и н, Изнашиваемость и обрабатываемость чугунного
литья, Металлургиздат, 1933,
15- Н. И. Фейгин, Ваграночный антифрикционный чугун, «Литейное
дело», 1937, № 11.
К г л а в е VI
I. В. М. Андреев, Основы технологии литейных форм, Машгиз. 1947.
2. В. А, Аронович. Выбор и расчет литниковых систем, ОНТИ, 1938.
3. С, Н. Банков, Сталнстый чугун, ГТИ, 193(1.
4. К. И. Ващенко, Модифицированный чугун, Машгиз, 1945.
5. Л. М. Волпянский и М. Д. Лифшиц, Постоянные формы для
отливок из серого чугуна, «Литейное дело», 1940, № 1.
6. Г. В. К о з ы рев, Выбор и расчет литников, «Литейное дело», 1937, № 12.
7. Н. М. Леванов, Жслсзочугунные отливки, Машгиз, 1940,
8. Б. С. Мкльиац, Высококачественный модифицированный чугун,
Машгиз. 1945.
9. Г. 'М о р р э и Д. Грант, Глобулярный чугун, его получение и свой-
ства, «Фаундри ТреЙд Джернал», 1948, № 1662—1665.
10. Н. М. Петров, Отливка семитонного плунжера а кокиль, «Литей-
ное дело», 1968, № 5.
11. И. П. Рабинович, Термическая обработка чугунных деталей
сельскохозяйственного машиностроения, Машгиз, 1948.
12. С. В. Ру се и ян, Расчет и конструкция литниковых систем для чу-
гунного и стального литья, Лениздат, 1946.
13. И. Н. Смеляков, Армирование чугунных отливок, «Сталь». 1947, № 6.
14. В, И. Со л датен ко, Модифицирование чугуна серым жидким чу-
гуном, «Вестник машиностроения», 1943, № 9—10.
]5. Л, И, Ф а н т а л о в и Л. И- Леви, Применение закрытых прибылей,
действующих под атмосферным давлением при производстве Литья, Госплан
СССР, Инет, технико-экон, информации, № ], 1946.
16. В. И. Ф у ид ат о р. Справочное пособие по механике заливки чер-
ных и цветных сплавов, Машгиз, 1939.
17. А. А. Шапиро и В, С. Данилина, Термическая обработка де-
талей самоходного комбайна, Сельхозмашина, 1949, № 3.
18. В. М. Шестопал. Задачи литейного производства в послевоенной
сталинской пятилетке, «Вестник машиностроения», 1947, № 10.
19. Е. С. Шульгин и П. С, Яши н. Отливки крупных деталей
из модифицированного чугуна, «Сталь», 1918, № 7,
Литература
К главе VJJ
I. В, М. Андреев ц Ф. Д, О бол ей цс в, Влияние прщ;адК[( бокси-
тового чугуна марки «Карботитан» на свойства чугунных от.птгж, «Бюл-
летень литейщика», 1945, № 7—8.
2. Г. И. Аксенов, П. В. Г у б а ч е в с кий и Н, Л, <; „ к о ,, Q п,
Производство аитофретиропанных изложниц из передельного доменного
чугуна, «Сталь», 1941, № I— 2.
3. И. Н, Богачев и И, Ф. Сенкевич, Повышение стойкости чугун-
ных штампов при холодной вытяжке специального листа, «Труды Ур,
индустр. инет.», 1944, № 19.
4. Н. И. Б л и к о в и А- А. Горшков, Изложницы, ОНТИ, [935.
5. К, И. Ващенко, Химически стойкие отливки, Машгиз, ’М, 1946,
«Литейное производство», ЛОНИТОЛ, Машгиз, I948.
6. А. И. Габерцетсль и В. М. Замору ев, Повышение стойкости
изложниц путем модифицирования жидкими присадками, Сб. «Литейное про-
изводство», Машгиз, |949.
7. А. Я. Главен, Стойкость изложниц из доменного чугуна, Сталь,
1943, № 9—10.
8. А. А. Горшков, К вопросу об автофретировании изложниц
и об изготовлении их из передельного чугуна, «Сталь», 1945, № ]0.
9, А. А. Горшков, Отливки для металлургического оборудования,
Машгиз, 1947.
Ю. В. П. Гречин, Поршневые кольца авиационных моторов. Обо-
ронгнз, I939,
П, В. Я. Локшин, Производство эмалированных изделий, Госхимтех-
издат. I937, НКМП РСФСР; Пороки в чугунном литье и в эмали, |938.
12. Т, Лэнд, Термические напряжения в изложницах, «Джернал оф
Ай рои энд Стил пнетнтют», I943, № [.
[3, Р. Майерс, Обзор работ по изложницам, «Джериал оф Айрон энд
Стил ннстнтют», 1913, № [.
14. С. С, Некрытый и К), С, Лейзерман, Внедрение природно-
легированных чугунов в машиностроении, «Литенп-ое дело». 1937, № 10.
[5. А. Д. Попов и Э. М. Бланк, Технология отливки игольчатых
рекуператоров, «Сталь», 1949, № 1.
16. В. Н. Свечников и К. Ф. Стародубов, Отливка изложниц
из доменного чугуна, «Сталь», 1942, № 7—8.
17. К Ф. Стародубов и В. Н. Свечников, Изложницы, ОНТВУ.
Харьков—Днепропетровск, 1932; «Сталь», 1938, Xs 11.
18. А. П, Т о р о п а н о в, Изложницы повышенной стойкости из модифи-
цированного чугуна, «Сталь», 1946, № 7—8.
19. Е. Е, фарафонов и В. Г. Мах, Теплостойкие и жароупорные
чугуны без добавок импортных присадок, «Металлург», 1940, № 3,
20. Е. Л о н г д е и. Проблемы усадки и искривления чугунных отливок,
«Фаупдри Трейд Джернал», 19-18, № 1675, 1677,
21. Е. Е. Эренбург и В. М. Быков, Труболитейное производство,
Металлургиздат, 1917.
К главе VII1
I, А. С. Бешлык, Произиолство чугунных хромоникелевых шиков для
тонколистовых непрерывных стлпоп, «Сталь», 1942, ,№ 5—6.
2. П. И. Блинов н Д В, М а р к о п, Высокотвердые легированные
валки Для полиропки жеети, «Стоят,», 1944, № 5—6.
3. И. Н. Бобачев и п. Г. Лузин, Кодеса Гриффина, ОНТИ, 1937.
704
Литература
4. К. И. Бунин, Е. П, Троицкая и С. Н, X и т р и к. Влияние от-
дельных элементов на термическую устойчивость белых чугунов, «Сталы»,
1945, № 11—12.
5- К. П. Б у и и к и А. Е. Кривошеев, Износ чугуна для валкой,
«Сталь*, 1946, Mi 11—12,
6. А Л. Горшков, Чугунные закаленные валки, Уралгнэ. 1934.
7. М. М. Добротно р екай, Вальдслнтейиое производство. Проблемы
технологии литейного дела, ОНТИ, 1932, ч. I.
8. А. Е. Кривошеев, Теория калибровки профилированных форм и
эксплоатация, «Теория и практика металлургии», 1938, № 7—8.
9. А. Е. Кривошеев, Отбеливаемость чугуна и качество валков,
«Научные труды, Днепр, мет. инет.», 1948, вып. XV.
10. А, Е, Кривошеев, Регулирование свойств сортопрокатных валков,
«Научные труды ДМИ», 1948, вып. XII.
II. В. Н, С веч н и к о в, В. И. Гризнев и Л. Е. Кривошеев,
Новые технические условия на чугунные прокатные валки, «Сталь», 1942,
№ 9—10.
12, В. Н. Свечников, Металлургические и металлографические
основы производства прокатных валков из отбеленного чугуна, «Домез»,
1935, № 3..
К главе IX
1. К. В ид фо л л, Конструкция приспособлений для правки отливок
нз ковкого чугуна, «Трансекшенс АФА», 1939, Хэ 3.
2. Н. Г. Гиршовпч, Производство ковкого чутуня в США, Мащмсг-
Ггэ дат, 1932.
3- —1. Н, Г. Г ир шов нч и Е. К. Видим, К Теории процесса полу-
чения ковкого чугуна, «Труды института металлов», 1929, вып. 4.
5. Д. Д о в и и Д. Д ж е и к и н с, Скорость отжига ковкого чугуна в спе-
циальной газовой атмосфере, «Фауидри Тренд Джернал», 1946, № 1570.
6. Б, Н, Е л т ы ш е в, Печи для отжига ковкою чугуна в защитной
атмосфере, «Литейное дело», 1938, № 10.
7. М. М. Закладной и В. Кухарский, Ускорение отжига ков-
кого Чугуна в печах Дрессера, «Сельхоз. машина», 1936, № 12.
8. Я. Г. Л ифщи ц, Феррито-перлитный ковкий чугун, как заменитель
цветных металлов в машиностроении, Ростовиздат, 1940.
9. Нозое в технологии литейного производства, Сб., Машгиз, 194].
10. И. П. Р а б и и о в и ч, Термическая обработка чугунных деталей
в сельскохозяйственном машиностроении, Машгиз, 1948,
11. Сборник ио вопросу об образовании «рубашки» на белосердечном
ковком чутуне, ^Джернал Айрой энд Стил инститют», 1948, т. 158, ч. I.
12. А. Элзи и К. Л о р и г, Влияние меди и предварительной низкотем-
пературной обработки на отжиг некоторых сортов белого чугуна, «Тран-
секшенс АФА», 1943, т. 50.
13. М. М. Эфрос, Туннельная печь типа Дрееслера для отжига ковкого
чугуна СТЗ, «Литейное дело», 1938, № 10,
[4. Г. Шварц, Американский ковкий чугун, ОНТИ, 1936,
15. Н. 11. П1 ум илов, Работа туннельных печей ЗИС, «Литейное дело».
1938. № 10.
(6. Н. П, Ш v милое, Антифрикционный ковкий чугун, «Литейное дело»,
1940, № 3,
Литература
705
К гл аве X
1. С, О. Б и р у л я н Н. Л, Радимов, Распределение поздуха в ва-
гранке и преодолеваемое нм сопротивление в зависимости от конфигурации
фурм, «Литейное дело», 1936, № 10.
2. К. П. Б у ли и и Д. К. а и. н с л ь со н, О плавлении чугуна, «Метал-
лург», [<Д39, № 8.
3, Н, Г. Г и р ш о в ни. 'Математический анализ ваграночных газов.
«Техника н производство», [927, № 17.
4, П. Г, Гиршович, Режим работы вагранки и его влияние на брак
литья, Харьковский институт усовершенствования ИТР, 1940.
5. II. Г. Гиршович и Ю. Л, Нехеидзи, Г рафическое изображение
горения углерода в смесях воздуха с водяным паром, «Вопросы металлур-
гия», под ред. М. А, Павлова. [925.
6. К. И. Колодцев, Исследование динамики газообразования в слое
углерода при различном содержании кислорода в дутье, «Известия Все-
союзного Теплотехн, инст.э, [948, № 4.
7. Л. И, Л е в и, Плавка в вагранках на дутье, обогащенном кислородом,
«Кислород», 1947, № 3.
8. И. М Ле мл е х, Работа вагранок на горячем дутье, «Сталь», 1943,
№ 7—8.
9. Е, Л о и г д с н, Конструкция вагранки с подогреваемым дутьем,
«Фаундри Тренд Джернал», 1946, We 1565, 1566, 1567.
10. В П. Л н н ч с в с к и й. Топлива а его сжигание, МеталлургиздаТ,
1947.
11. Д. Лоури, Вагранки, ОНТИ НКТП, 1936.
12, Л. М. ’М а р не н б я х, Исследование движения газов в вагранке,
«Литейное дело», 1939, № 2.
13. Г, Нейл и Д. Пирс, Литейные и лабораторные характеристики
ваграночного кокса, «Фаундри Трсйд Лжсрнлл», 1937, № [091, 1092, 1093.
14. Н. Рембеш и Г. Тейлор, Новый метод исследования поведения
шихтовых материалов в вагранке н некоторые его результаты, «Фаундри
Тренд Джернал», 1945, Лё 1525, [526.
15, Д. А. Фран к-К аменецкнй, Диффузия и теплопередачи в хими-
ческой кинетике, АН СССР, М„ 1947.
16. В. X о х у л я. Плавка в вагранках со вспрыскиванием воды, «Вест-
ник металлопромышленности», 1929, № 4 и 6.
17. 3. Ф. Чуханов, Процесс горения угля, ГОНТИ, 1938.
[8. А. И. Штернберги Л. И. Серебриер, Разжижение шлака
в вагранке при помощи NaCI и определение вязкости и плавкости шлаков
по комбинированным Диаграммам, НИ ИТ МАШ, 1933, № 3.
19 Г. Юигблут и Г. Корш ан, Плавка в вагранке, «Архив фюр
дас Айзен вейзен», 1938, № 4.
К главе XI
1. ГТ. ГТ, Б ер г, Науглероживание стали при плавке в вагранке, «Литей-
ное дело», 1935, № 7.
2. П. П, Берг и Н. Г. Гиршопид К вопросу об обессеривании
чугуна при плавке его в вагранке, «Литейное дело», 1940, № Я—9.
3. Н. И. Блицев н A. IT. Недопекин, Применение апатита при
плавке в вагранке, «Уральская металлургия», 1937, Фй 2,
4. В. Е. Васильев и‘А. Т. Козел, Плавка в вагранке на магнези-
альных шлаках, «Литейное дело», 1935, № 2.
45 Зан. 805
706
Литература
5. С. И, В is т е it з о и и Н, П, К о и а ш к о, Обессеривание ваграночного
4Vrvtia, Сб. «Литейное производство», Машгиз, 1918.
6. В. Г. Воскобойников, Обессеривающая способность доменных
шлаков н применении к практическим расчетам, «Сталь», Ю15, № 7—8.
7, И. Г, [' и р ш о s и ч, Получение малоуглеродистого чугуна из вагран-
ки, «Металлург», 1935, № 5.
8. И. 1. Г и р шо в и ч н IO, А. Н ex о н д з и, Получение синтетического
чугуна в вагранке и его обессеривание о процессе плавки. «Труды НИИ»,
1947. № 8.
9. Н. Г, Г И р ш о в и ч и Ф. Д. Оболснцев, Условии интенсификации
обессеривания чугуна содовыми шлаками в ковше, Сб. «Литейное произ-
водство», ЛОНИТОЛ, 1949.
10. С, Ф. Горбунов, А. П. Мирный и И. Б. Ха зап, О холостой
колоше в вагринке, «Литейное Дело», 1949, № 7.
И, А. Е. Кривошеев и Л. С. Рудницкий, О плавке чугуна
в пламенной печи. Научные труды ДМИ, 1948, вып. X1I.
12. Д. М а к - К е и з и, Химические изменения чугуна в вагранке, «Фа-
ундри Тренд Джернал», 1938, № 1]44.
13. Д. Мак-Кензи и К. Д о и о. Влияние давления дутья на плавку
в вагранке, «Траисекшепс АФА», 1939, № 3.
]4. Л. М. Мариенбах, Чугун из стружки, «Московский большевик»,
1945.
15. А. П. Мирный и И. Б. Хаэан, Влияние пода на поведение
основных элементов при плавке ковкого чугуна, «Литейное дело», 1936, № I
16. Т. М а т с у к а в а. Вязкость ваграночного шлака в расплавленном
состоянии. «Фаундри Трейд Джернал», 1935, № 989.
17. Д. Рнтз, Дуплекс-процесс в производстве ковкого чугуна, «фаун-
Дри», 1944, № 1.
18, А. М. Самарин, Электрометаллургия стали, Металлургнздат, 1943.
19, Б, II. Селиванов и Ю. А. Нехендзи, «Металлург», 1928,
стр, 66.
20. Л. И. Серебриер и А. М. Штернберг, Обессеривание вагра-
ночного чугуна в ковше, «Вестник машиностроения», 1944, № 11.
21. А. М. Штернбер г. Получение малоуглеродистого чугуна из ва-
гранки, «Л ит ей I toe дело», 1940, We 8—9.
22. И, Эванс, Применение ковшей с основной футеровкой для обессе-
ривания содой, «Джернал Айрен энд Стид инститют», 1944, № 1, стр. 17.
К главе ХП
1. С. И. Василевский, Выбор футеровки для зоны плавления вагра-
нок, «Литейное дело», 1940, № 8—9.
2. А. И. Г о б с р ц е т т е л ь, О производстве термоантрацита в литейной
вагранке, «Бюллетень литейщика», 1943, № 2—3.
3. Л. Я. Коля ид ер, О качестве литейного кокса, «Кокс И химия»,
1940, Ли 2.
4, Л. М. М а р и е и б а х. Применение местных видов топлива if заме-
нителей кокса при плавке чугуна в иагрлпке, Машгиз. 1943.
5, Г. К. Мирошниченко, Ваграночная плавка чугуна па термоан-
траците, Ростпздит, 1940.
6, Р. В. Мотт и Р. Б, Уилле р Качество кокса, Металлургиздат,
1947.
Литература
7. Г, М. Никитин, Расчет ваграночных шлаков, «Бюллетень литей-
щика», 1945, Хе 9^10, и [1—12.
8, А, М. Павлов, 'Металлургия чугуна, Металлургия дат, 1941, ч. I,
9. В. И. П е т а ц к и й и С. Е. Барк, Рациональное использование
стружки черных Металлов, «Литейное дело*. 1940, № 8а.
410. в. С. Позианская, Новый вид высококачественного литейного
топлива, «Л итейное дело*. 1941, X» 4.
II. Н. Н. Рубцов, Шихтовка в литейном, деле, Металлургнадат ]933.
12. Н. Н. Рубцов, К вопросу о свойствах и методах испытания метал,
лургического кокса, «Известия Всесоюзн. теплотехнич. ин-та», 1945, № 7.
13. Л, И. Серебриер, Сравнительное исследование различных бри-
кетов чугунной стружки при плавке в вагранке, «Литейное дело», 1935,
№ 4,
14. И, Ф. С н н ц е р, Результаты опытов по брикетированию стружки,
«Литейное дело», 1940, Х° 11—12.
15. А. В. Терещенко и О. М. Моргулис, Исследование огнеупо-
ров для вагранок, «Литейное дело», 1935, № 6.
16. Е. Е. Фара фонов и В. Кузин, Применение набивной футеров-
ки в вагранке, «Литейное дело». 1965 № 7.
17. И. Б. Хазан и А. Л. Мирный, Плавка в вагранке на торфяном
коксе, облицованном известью, «Литейное дело», 1941, № 4.
18. Е, П. Шевченко, Библиографический указатель по применению
антрацита и термоантрацита в вагранках, «Литейное Дело», 1941, Ха 4.
К главе XIIJ
I. Б. В, Архангельский, Применение дуплекс-процесса .(вагранка —
отражательная печь) в производстве ковкого чугуна. Новое в технологии
литейного производства, Машгиз, 1941.
2. Б. В Архангельский, Плавка в отражательных печах, ОНТИ,
1936.
3. А. А. Балашов и И, Ф, Железняков, Газовая вагранка малой
мощности на низкокалорийном газе, «Бюллетень литейщика», 1945, Хе 5—6,
4. С. О. В и р у л я, Расчет отверстия для выпуска металла из вагранки,
«Литейное дело», 1939, № 2—3.
5. Л. Д, Гончаров, Сжигание и использование колошникового газа
в вагранке, «Литейное дело», 1938, Хе II.
6. А. М. Гор а, Влияние дутьевого режима вагранки на образование
газовых раковин, «Сталь», 1948, Х° 11.
7. М М. Карнаухов, Расчет полезной высоты вагранки, «Металлург»,
1931, № 3.
8. Е. А. Коган и Г. Н. Троицкий, Производство американского
ковкого чугуна нз вагранки, «Литейное дело», 1936, Хе 6.
9. А. В, Кузнецов и В. А. Куроедов, Установка рекуператора
для подогрева дутья у вагранки, «Вестник машиностроения», 1944, Хе 1—2.
10, Л, М. Мариенбах, Печное хозяйство литейных цехов, 1936, ч. Il-
li. Л. М. Мариенбах. Применение газового топлива для вагранок,
• Вестник машиностроения», 1945, № 1—2.
12. А, 'М. Му сил ян. Опыт производства модифицирован поп. чугуна
в нефтяных печах Петрашевского, «Вестник машиностроения», 1949, № 4,
13. Г. М. Никитин, Антрацитовые вагранки, «Бюллетень литейщика»,
1946, № 1.
13а. Я. А. Смоляницкнй. О текучести ваграночных [планов. «Литой
ное дело». ]939, № 3
45*
708 Jlaiepaiijpa
14. К. Л. «.’обо л ев, Планка в вагранке с пр гни."!,,, каем угольной пыла
«Вестник м пени построения». 1944, № 12.
|5. Tp\:ii,i Гипромеза. Нормллизовапныг пгирзнки Гипремеза с трехрлл
41.TM1: фгpv.-i.-rir, Металлургиздат. ]!М8, Hirn. VI]].
if,. Л. И. <|i а и т а л о и, Основы ироектирорания Jinviinij-.. цехов. Маи:
г из, Hilly । jip;ii.«>4HHK но n/wiie а вагранке, «Трансскшенс 1946,
17. (I. О. Ц и и н н, Рекуператор для подогрева иагкдутья.
Гпо.т ютеип лнтейшнка», 1945, № 5—6.
[м, В. Г]. Чернобровкин, Экономия топлива в вагранках с. рас
прел елейным дутьем, 194], Вагранки новой конструкции, «Сталы». 1947,
№ 10.
19. В, М, Шесто пал. Современные направления в производстве чу
генного литья, Машгиз, 1916.
20, JI. А, Шварцман, Плавка сталистого чугуна в печах системы
Петрашевского. Азгостехиздат. 1943
>
Редактор б. П. Адрианова Технический редактор О. Г. Беккер
Слано в производство 15/VJ1I 1919 г. Подписано к печати I I/X 1949 г
Формат бумаги бОХОЗ1/,^
Уч.-изд. л. 49.7 Пел л„ 44.25 Зн. в ] п. л, 40110
А (1070 Тираж 10 000 Заказ 805 Нена 24 руб. 40 крп
Типография Металлургнздата, Москва, Цветной бульвар. 30.
г
Сгря- пин.! Сгро- С<.Р|
ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ
По
Напечатано Дп.ТА’110 бып, Ч|.1‘П JllfffC
1 г \ ф ЬТ цТ 1 < 1 с tl Л'?, --- Ле Г ^,Vf> ir *Г(Л/Т 18 3 стз | jVe Tj Рис. <i считать риг. б. a p 42 17 cn.'iFc;,C (C)-^PacTB<ip(C,)+Cr!-, r 47 14etl. 5F°. f / , \ ДЕ^ * ~ 1 Лг/,7\т) + Ъа ) 29Й j> x> 2 св. етоянным’, подучим путем... s yM .'1 СИ. П'> ППТеПСиПИОСТИ И МОЖСТ * 011 рсД1'.'1ЯТ|^’И формулами (4G—48) PU) /7 ! 8/ 41К 283 В табл. 24 вместо т 294 18 си. рц — 343 JO св. Примеси, как правило, пони- жают электропроводность. 400 18 ев. К = 0,31 УН* <' _ ^Kcikc. Л'г, =Лге *Г ЬГ — Корр. _ ст' _jVe kr А; ват? Л’ ” 1с. б считал, рис. а Л-ет- FeaC = Раствор (С') + Сгр ’> г „ f / 1 \ Л/''Чх !<орр. ДЕ, = 1 tiHti — + — ? J \ Т ) 298 зав С!оиннЬ1м1 и, определив Авт. значения 0,2, /К -г G,3 и к.л -- 0,5, полу- чим путем 11(1 1 !11! С И 01 ИИ! ОС Ш |> о, _ J _ У_ Корр. 8/ 411/ ’ следует читать ~'ь Авт. vt!^k<P Тип. Электропроводность же, . обычно, падает при легиро- т' ванлп всеми элементами. & = 0,3] У Н е Ред.
40] 11 сп.1 /ц-х [ ; у .н ’ 470 В подписи под рис. ЗОН Имес следует читать O\I1U1> v"1T fils |в форму :!:( IS'ia) вмес го 4- Qfip ~ Q । На рисунке 428 вместо «'J.iiTcrp v 7i ТО О— Т(> же, [!рп Корр К',', „ то же, при.. [Г, M1TLE 1 Qnp — Qr , следует .пгт(11ь.+ - uiL'iiT»:-» читать ('Вагранка'! Тип.
к h;iiн'н>]inТ.