Отливки из чугуна. Технология литья в кокиль
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

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.

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.

Для отжига отливок требуется дополнительное оборудование. Он сопряжен с энергетическими затратами, а также увеличивает длительность технологического цикла. По этой причине получение в кокилях отливок из чугуна с заданной структурой является одной из важнейших проблем данного способа литья.

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

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.

Отжиг отливок из чугуна с шаровидным графитом проводят для снижения внутренних напряжений по режиму: нагрев до 550 – 650оС, выдержка при температуре нагрева 2 – 5 ч в зависимости от конфигурации и толщины стенки отливки. 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.