Литье высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) | Агентство Литьё++

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом обладает высокими физико-механическими свойствами, что обусловлено шаровидной формой графита. Такие образования графита в наименьшей степени ослабляют сечение отливки, придавая ей высокую прочность и пластичность. Механические свойства чугуна регламентируются  ГОСТ 7293-85 и представлены в табл. 1.

ГОСТ включает восемь марок чугуна. Буквы ВЧ обозначают название чугуна – высокопрочный чугун, последующие цифры указывают на минимально допустимое значение предела прочности при растяжении в кгс/мм2.

Прочностные и эксплуатационные характеристики материала отливок из ВЧШГ можно варьировать  в широком диапазоне не ухудшая литейных и техноло­гических показателей.

Таблица 1. Механические свойства чугуна в литом состоянии или после термической обработки

Марка чугуна	Временное сопротивление при растяжении σВ, МПА (кгс/мм2)	Условный предел текучести σ02, МПА (кгс/мм2)	Относительное удлинение, δ, %	Твердость по Бринеллю, НВ
не менее
ВЧ 35	350 (35)	220 (22)	22	140-170
ВЧ 40	400 (40)	250 (25)	15	140-202
ВЧ 45	450 (45)	310 (31)	10	140-225
ВЧ 50	500 (50)	320 (32)	7	153-245
ВЧ 60	600 (60)	370 (37)	3	192-277
ВЧ 70	700 (70)	420 (42)	2	228-302
ВЧ 80	800 (80)	480 (48)	2	248-351
ВЧ 100	1000 (100)	700 (70)	2	270-360

Механические свойства ВЧШГ в сравнении со сталью:

• Предел прочности такой же или более.
• Более высокое отношение предела текучести к пределу прочности – 0,65-0,80 (у стали – 0,55-0,60).
• Высокая износостойкость.
• Более высокая демфирующая способность.
• Меньшая чувствительность к концентраторам напряжений.

По микроструктуре ВЧШГ подраз­деляют на ферритный, ферритоперлитный, перлитный, перлитоцементитоферритный и аустенптиый. Различают также высокопрочный чугун с трооститной,  трооститоферритной, мартенситной, перлитоцементитной и др. структурами.

Ферритный и аустенитный чугуны отличаются высо­кими пластическими свойствами (отно­сительное удлинение 5—35%, удар­ная вязкость 2—20 кгс • м/см2). К аустенитным относятся чугуны номаг и нирезист с разным содер­жанием никеля. Высокие мех. свойства аустенитных чугунов не изменяются до температуры 600°С.

Особенно перспектив­ны такие чугуны при эксплуатации в условиях низких температур (вплоть до температуры — 250°С). Перлитный и трооститный чугуны характеризуются высокой прочностью (предел проч­ности на растяжение 60—140 кгс/мм2) при относительно невысоких пласти­ческих свойствах (относительное удли­нение — 2,0—6%, ударная вяз­кость 2,0—6,0 кгс • м/см2).

Получе­нию перлитной структуры способ­ствуют никель, медь, хром, марга­нец и олово. Чугун с перлитной и трооститной структурами отличает­ся высокой износостойкостью; чу­гун с трооститной и трооститоферритной структурами, получаемыми изо­термической закалкой. [1]

Интересен опыт чешского  предприятия «KASI», освоившего крупномасштабное (крупнейшее в Европе) производство люков смотровых колодцев из ВЧШГ на АФЛ HWS, при этом масса люка была снижена практически на 50%, по сравнению с люками из серого чугуна. Начиная с 80-х годов минувшего столетия московский завод «Водоприбор» также производит люки смотровых колодцев из ВЧШГ на кокильной АФЛ (с вертикальным разъёмом), используя синтетический чугун, масса люка также значительно снижена.

https://www.youtube.com/watch?v=-uplikC_3Uk

Из ВЧШГ производят детали прокатного и кузнечно-прессового оборудования; горнорудного и дробильно-размалывающего оборудования; детали турбин; корпуса редукторов; детали зубчатых передач и подъемно-транспортного машиностроения.

Меньший удельный вес и значительно более высокая жидкотекучесть ВЧШГ по сравнению со сталью, позволяет с высокой эффективностью использовать отливки из ВЧШГ в автомобилестроении взамен стальных отливок, что ведёт к снижению массы автомобиля и возрастанию его мощности. Из ВЧШГ производят коленчатые валы, шестерни, картеры и т.п.

Значительное место в производстве труб большого диаметра, работающих под высоким давлением, занимают центробежно литые трубы из ВЧШГ. Производство фитингов для метрополитена и туннелей из ВЧШГ позволило значительно снизить их массу.

Использование ЧШГ в станкостроении позволило конструировать сложные литые детали для станков и оборудования тяжелого машино­строения массой более 150 т (матрицедержатели машин инжекционного прессования, цилиндры и станины ковочных прессов, поршни и другие детали), снизить массу литых деталей с сохранением доста­точной жесткости.

ЧШГ является идеальным материалом для множества ручных инструментов (гаечных ключей, струбцин, калиб­ров и т. д.). В деталях бумагоделательных машин ЧШГ обеспечивает значительный технико-экономический эффект (например, благодаря тому, что модуль упругости ЧШГ на 60 % выше по сравнению с ЧПГ, снижена масса нажимных и сушильных валков машин).

ЧШГ — распространенный материал запорной и регулирующей арматуры, работающей в газовой и жидких средах (кислотных, соле­вых и щелочных). Например, за рубежом из ЧШГ была отлита партия шаровых вентильных заглушек для магистрального га­зопровода Сибирь — Западная Европа диаметром 1420 мм.

Перво­начально эти заглушки производились из стальных поковок диаметром 2440 мм и массой 17 т каждая. [4]

Первые места по объёмам производства отливок из ВЧШГ на протяжении последних лет делят между собой Япония и США, как наиболее развитые в технологическом плане страны.

Сегодня в большинстве промышленно развитых стран объём производства отливок из ВЧШГ среди железоуглеродистых сплавов занимают второе место после серого чугуна.

Научная школа в области исследования ВЧШГ в Украине начала формироваться в середине шестидесятых годов минувшего столетия на базе Института проблем литья НАН УССР (ныне ФТИМС НАН Украины). Вопросами производства литья из ВЧШГ занимались в разное время такие видные учёные как: Волощенко М.В., Ващенко К.И., Горшков А.А., Сидлецкий О.Г., Шумихин В.С., Шейко А.А.,  Левченко Ю.Н., Литовка В.И. и многие другие.

Самое крупное массовое производство отливок из ВЧШГ методом внутриформенного модифицирования для автотракторного машиностроения было налажено семидесятых – восьмидесятых годах минувшего столетия на Купянском заводе «Центролит» (Харьковская обл.).  К сожалению, сегодня этот завод уже не существует.

Литература

1. Энциклопедия неорганических материалов. В 2-х томах, том 1. Киев, «Высшая школа», 1977 г.
2. Могилёв В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.
3. Справочник по чугунному литью./Под редакцией д.т.н. Н.Г. Гиршовича. – 3-е изд. перераб. и дополн. Л.: Машиностроение, 1978 – 758 с.
4. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом/Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г., Вареник П.А. – Киев: Наукова думка, 1986 – 248 с.

Источник: https://on-v.com.ua/novosti/texnologii-i-nauka/vysokoprochnyj-chugun-s-sharovidnym-gra/

Pereosnastka.ru

Отливки из высокопрочного чугуна

Категория:

Литейное производство

Отливки из высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом в литом состоянии получают при введении в жидкий металл таких элементов-модификаторов, как Mg, Се, Са, Li, Na и др. Наибольшее практическое применение получил Mg, при содержании которого в чугуне 0,03-0,05% графит кристаллизуется в виде шаровидных включений (глобулой). Такой чугун называется магниевым.

В отличие от ковкого чугуна получение шаровидной формы графита в высокопрочном чугуне практически не ограничивается толщиной стенки и массой отливки. Высокопрочный чугун широко применяют для отливок деталей металлургического оборудования, ленчатых валов различных двигателей, деталей сельскохозяйственных машин и т. д.

В настоящее время почти во всех областях машиностроения казана возможность и экономическая целесообразность перевода д0 деталей, изготовляемых из стальных литых и кованых заготовок, на отливки из чугуна с шаровидным графитом.

Механические свойства и марки высокопрочного чугуна определяются ГОСТом 7293-70.

Чугуны марок ВЧ 50-2, ВЧ 60-2 с преобладанием перлита в структуре металлической основы можно получать как в литом состоянии, так и в результате термической обработки.

Может быть использована комбинированная термическая обработка, преследующая разложение структурносвободного цементита с последующей нормализацией, называемой графитизирующей нормализацией.

Чугуны ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5 с преобладанием феррита в структуре металлической основы получают графитизирующим отжигом для разложения структурносвободного и эвтектоидного цементита.

В отличие от чугуна с пластинчатым графитом, механические свойства чугуна с шаровидным графитом в большей степени определяются металлической основой и в меньшей размером и распределением графитовых включений.

Поэтому ряд режимов термической обработки, используемых для повышения механических свойств стали, оказывается эффективным также и для высокопрочного чугуна.

Таким образом получают в производственных Условиях перлитные чугуны с пределом прочности до 120 кгс!мм2, И Фсрритные чугуны пластичностью до 17%.

Основной операцией технологического процесса получения высокопрочного чугуна является операция введения магния в жид-1 7зя уУуНд Физические свойства магния следующие: плотность — 1107 г. м’ температура плавления 651° С; температура кипения Магний в чистом и парообразном виде на воздухе легко

воспламеняется. Существующие способы введения магния в чугун можно разделить на две группы: 1) при атмосферном давлении;

2) при повышенном давлении.

Ввод модификаторов на дно ковша большей частью осуществляется в контейнере, имеющем отверстия. За счет тепла жидкого чугуна магний в контейнере расплавляется, затем перегревается до температуры кипения и пары магния барботируют через толщу чугуна в ковше.

При этом часть магния усваивается металлом, но большая часть парообразного магния вырывается на поверхность металла и сгорает с ярким световым эффектом, выделяя значительное количество окиси магния в виде белого дыма.

Предложен ряд методов для повышения степени усвоения магния металлом и предотвращения пироэффекта. Наиболее экономично применение низкомагниевых лигатур с содержанием 8-20% Mg.

Лигатуру, плотность которой больше плотности жидкого чугуна (например, Mg-Ni с у = 7,3-f-7,4 г!см3) в виде кусков можно закладывать в ковш перед его заполнением чугуном (без использования контейнера).

Вторая группа способов основана на том, что магний в чистом виде вводится в жидкий чугун, находящийся под повышенным давлением. Как известно, при увеличении давления температура кипения веществ повышается. Температура кипения магния повышается с 1107° С при атмосферном давлении до 1350° С при давлении 6 am.

Чугун в ковше перегрет обычно до 1300-1350° С и примерно до этой же температуры будет нагрет магний. Следовательно, если давление над поверхностью жидкого металла 5-6 am, то магний будет растворяться в жидком виде в чугуне, к f В камере (рис.

Открывают вентиль в сети сжатого воздуха и давление в камере доводят до 6 am, после чего в ковш вводят контейнер с магнием. Операция растворения магния продолжается 6-10 мин. Всеми операциями управляют с пульта. Привод всех механизмов электрогидравлический.

Для ввода магния в чугун, находящийся под давлением, используют также специальные герметизированные ковши барабанного или конвертерного типа (рис. 98). Операция производится в следующей последовательности. В зарядную камеру закладывают необходимое количество магния и камеру закрывают крышкой. При положении ковша, показанном на рис.

98, он заполняется чугуном, крышка 3 закрывается и прижимается к ковшу затворами. Ковш поворачивается против часовой стрелки на 90°. Зарядная камера с магнием оказывается под металлом. Магний нагревается до температуры кипения и пары магния создают повышенное давление в пространстве над уровнем металла.

Когда давление достигнет 3-5 am, кипение полностью прекращается и оставшаяся часть магния растворяется в жидком виде. Продолжительность операции в ковше емкостью 10 т 3-4 мин.

Рис. 1. Автоклав для модифицирования чугуна магнием

Рис. 2. Герметизированный ковш конвертерного типа емкостью до 10 т

Магний является карбидизирующим элементом и в зависимости от химического состава чугуна и толщины стенок отливки после ввода магния дают присадку ферросилиция Си 75 (0,3-1,0%) — Такое «двойное модифицирование» не производится, если отливки из высокопрочного чугуна подвергаются графитизирующему отжигу.

Размер графитовых включений в высокопрочном чугуне не оказывает такого сильного влияния на механические свойства, как в обычном сером чугуне. В то же время повышение содержания углерода положительно влияет на литейные свойства чугуна (жидкотекучесть, склонность к образованию усадочных раковин).

В этих чугунах поддерживают относительно высокое содержание углерода. кремния в зависимости от минимальной толщины стенки отливки выбирают с целью предотвращения отбеливания, а также для регулирования структуры металлической основы.

В чугунах с ферритной основой рекомендуется минимальное количество марганца и фосфора, так как эти элементы (особенно фосфор) снижают относительное удлинение и ударную вязкость чугуна.

Весьма перспективным является использование высокопрочного чугуна с аустенитной структурой. В основном изучены высоколегированные чугуны (Ni-Cr-Cu), аналогичные чугуну «ни-резист».

По коррозионной стойкости, жаростойкости и ростоустойчивости чугуны с шаровидным графитом превосходят аустенитные чугуны с пластинчатым графитом. Одновременно с этим они имеют значительно более высокие механические свойства ав до 45 кгс/мм2, и до 20% и ан до 10 кгс-м/см*).

Реклама:

Отливки из белого и отбеленного чугуна

Источник: http://pereosnastka.ru/articles/otlivki-iz-vysokoprochnogo-chuguna

Отливки из чугуна. Технология литья в кокиль

Серые чугуны обладают хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой (до 1 %), незначительным влиянием газосодержания на механические свойства, достаточно высоким сопротивлением образованию горячих трещин, малой склонностью к образованию усадочных раковин и пористости.

Литейные свойства чугуна существенно зависят от его химического состава. С увеличением содержания углерода жидкотекучесть доэвтектических чугунов повышается, а заэтектических уменьшается.

При увеличении содержания кремния и фосфора жидкотекучесть чугуна повышается, влияние марганца и серы на жидкотекучесть металла несущественно.

Линейная усадка чугунов зависит от химического состава и скорости охлаждения: перлито-ферритные чугуны со структурой (П+Ф+Гр) имеют усадку 0,7 – 0,9, перлитные – 1,1 – 1,15, белые – 1,65 –1,75%.

Трещиноустойчивость чугунов возрастает с повышением содержания углерода и кремния; увеличение содержания серы снижает трещиноустойчивость чугунов; увеличение содержания марганца до 0,9% повышает трещиноустойчивость, а при дальнейшем увеличении его содержания вероятность появления трещин возрастает. Опасность появления трещин резко возрастает при наличии в чугуне более 0,2% фосфора.

https://www.youtube.com/watch?v=2vEo8caqRzE

Чугунные отливки, полученные в кокилях, меньше поражены газовыми раковинами, чем отливки, полученные в песчаных формах, так как вследствие высокой скорости охлаждения металла в кокилях газы не успевают выделяться из расплава. Однако неправильная конструкция вентиляционной и литниковой систем, нарушения при окраске кокилей и подготовке расплава повышают вероятность образования газовых дефектов в отливке.

Чугун в большей степени, чем другие сплавы, способен изменять структуру в зависимости от скорости охлаждения и затвердевания отливки. Поэтому, управляя скоростью охлаждения чугуна, можно получать отливки с любой структурой. Большое влияние на структуру чугуна оказывает также его химический состав.

В свою очередь, от структуры чугуна зависят механические свойства, износостойкость, герметичность, обрабатываемость отливки.

Повышение скорости охлаждения отливки при литье в кокиль приводит к уменьшению количества и размеров графитных включений, к увеличению содержания перлита и уменьшению его зерна, что повышает механические и другие служебные свойства отливок.

Однако высокая скорость охлаждения может привести к образованию отбеленного поверхностного слоя в отливке. В этом слое углерод почти полностью находится в виде цементита (Fe3C), определяющего высокую твердость структуры. В результате отливки с отбеленной поверхностью трудно обрабатываются, но обладают высокой износостойкостью.

Обычно их применяют без механической обработки или после шлифования. Примером могут служить мелющие тела для дробильно-размольного оборудования, валки для прокатки металлов и др.

Чугунные отливки с отбеленным поверхностный слоем, которые необходимо подвергать обработке резанием, предварительно термически обрабатывают – подвергают графитизирующему отжигу для устранения отбела.

Исследования и производственный опыт показывают, что основными направлениями решения этой проблемы являются: правильный выбор химического состава чугуна и способов его модифицирования; снижение скорости охлаждения чугуна путем повышения начальной температуры кокиля, нанесения на его поверхность облицовок и красок, создающих термические сопротивления переносу теплоты от отливки к кокилю.

Для предотвращения отбела повышают содержание углерода и кремния в чугуне. Однако содержание кремния не должно быть выше 2,5%, так как иначе снижается жидкотекучесть чугуна и в структуре отливок появляются силикокарбиды.

Уменьшение глубины отбела может быть достигнуто модифицированием чугуна ферросилицием, силикокальцием. Наилучшими являются комплексные модификаторы, вводимые в состав чугуна в количестве 0,2 – 0,3 мас. %, например, модификатор марки ФЦМ5.

Составы чугунов, рекомендуемых для литья в кокиль, и режимы модифицирования приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Химический состав серого чугуна, мас. % (остальное – Fe), рекомендуемый для кокильного литья

Температура заливки чугуна в кокиль обычно составляет 1300 – 1350оС. При более высоких температурах заливки снижается стойкость кокиля. Температуры заливки назначают в зависимости от толщины стенки отливки.

Температура выбивки отливки из кокиля обычно находится в пределах 600 – 1000оС.

Отжиг для устранения отбела обычно состоит в нагреве отливок до 850 – 950оС, выдержке 2 – 4 часа и охлаждении на воздухе. Для уменьшения внутренних напряжений отливки нагревают до 500 – 600оС и после выдержки при температуре нагрева в течение 2 – 8 часов (в зависимости от толщины стенки и массы отливки) их охлаждают с печью со скоростью 20 – 50оС/ч до 250оС.

Дефекты отливок и меры их предупреждения

Наиболее характерными дефектами чугунных отливок, полученных литьем в кокиль, являются: неслитины и недоливы вследствие недостаточно высокой температуры кокиля или заливаемого чугуна, а также большой протяженности литниковых каналов или недостаточной площади их поперечного сечения; трещины, вызванные нетехнологичной конструкцией отливки, местным перегревом кокиля, заливами металла по поверхностям сопряжения частей кокиля; газовые раковины, обусловленные недостаточной вентиляцией кокиля, повышенной газотворной способностью огнеупорного покрытия или песчаных стержней, повышенным газосодержанием чугуна; несоответствие структуры заданной вследствие отклонения химического состава чугуна, температуры кокиля, нарушений в составе, толщине и режимах нанесения огнеупорного покрытии кокиля.

Особенности изготовления отливок из высокопрочного чугуна в кокилях

Литейные свойства высокопрочного чугуна во многом определяются присутствием шаровидного графита и в этой связи имеют ряд особенностей: линейная усадка (1,17 – 2%) больше, чем у серого чугуна, поэтому для питания массивных узлов отливки используют питающие бобышки и прибыли. Однако, так как его предусадочное расширение в 2 – 3 раза больше, чем у серого чугуна, вероятность образования в отливках горячих трещин уменьшается. Высокопрочные чугуны склонны к образованию холодных трещин.

При модифицировании магний из модификатора и сера, содержащаяся в чугуне, образуют сульфиды магния, вследствие чего в структуре отливки появляются «темные пятна», которые отрицательно влияют на служебные характеристики металла.

Для их устранения понижают содержание серы в чугуне, обрабатывая его флюсами (криолитом, плавиковым шпатом и т.д.). Высокопрочные чугуны после модифицирования магнием обладают повышенной окисляемостью.

Пленки оксидов могут содержаться в металле отливки и механические свойства его снижаются.

Для получения перлитной структуры проводят нормализацию по режиму: нагрев до 900 – 950оС, выдержка 1 –3 ч и охлаждение на воздухе.

Далее ДЛИ получения высоких механических свойств и пластичности проводят изотермическую закалку по режиму: нагрев до 850оС, выдержка при температуре нагрева 2 – 2,5 ч и охлаждение в масле, нагретом до 300 – 350оС.

• ← Раздел 3.3.1
• Раздел 3.3.3 →

Источник: https://uas.su/books/spesialmethodsforcasting/332/razdel332.php