ЛИТЬЕ СЕРОГО ЧУГУНА

1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость и поверхностное натяжение литейных сплавов имеют большое значение для про­цессов питания затвердевающей отливки, заполнения тонких полостей и взаимодействия отливки с покрытиями форм. К такому выводу легко прийти на основании материалов, изложенных в гл. IV и VI. Так, например, вязкость входит в расчетные формулы для определения ширины зоны осевой пористости [формула (38)], количества профильтровавшегося расплава через сетку кристал­лов (величина коэффициента фильтрации зависит от вязкости), зоны действия прибыли [формула (47)]. С поверхностным натя­жением расплава связано капиллярное давление.

На рис. 94 приведены кривые изменения кинематической вязкости V чугуна по данным Н. И. Клочнева [66]. Как видно, для до – за – и эвтектических сплавов v снижается с повышением температуры. Такая же закономерность существует для чистого железа [34]. Влияние основных элементов, содержащихся в чу­гуне, таково: углерод в доэвтектической области и фосфор пони­жают вязкость, кремний, сера и углерод при содержании больше эвтектического —ее повышают [119].

Поверхностное натяжение серого чугуна находится в преде­лах 0,7—1,1 Н/м и понижается с повышением температуры и содержания углерода [66].

Жидкотекучесть. С увеличением концентрации углерода в доэв – тектическом чугуне жидкотекучесть растет, а в заэвтектическом падает. Влияние углерода усиливается с повышением содержания фосфора. Кремний и фосфор существенно влияют на жидкотеку­честь: она увеличивается с увеличением концентрации этих эле­ментов. Марганец и сера в тех количествах, в которых они обычно применяются при литье в кокиль, влияют несущественно [119].

Жидкотекучесть металла с повышением его температуры растет. Влияние кокиля на жидкотекучесть отчетливо видно из формулы (1). Жидкотекучесть повышается с увеличением начальной тем­пературы кокиля, толщины покрытия и с понижением коэффи-

8 П/р А. И. Вейиика

10,м2/с

V-107,м2/с

То 1500 1550 1600 к

А)

То 15оо 1550 woo к то то 7500 rsso jsoo ibsok 6) ‘ в)

Рис. 94. Кинематическая вязкость чугунов доэвтектнческого (а), эвтектического (б) и заэвтектического (в) составов:

/ — до обработки магнием; 2 — после обработки магнием. Стрелками показано направ­ление изменения температуры

Циента теплопроводности его материала. Основные из рассмотрен­ных закономерностей подтверждаются экспериментальными кри­выми (рис. 95), полученными в опытах с заливкой спиральных проб. Формулы типа (1) рекомендуются для аналитического опре­деления жидкотеку чести [165].

Сказанное выше относительно влияния покрытия на жидко- текучесть справедливо для обычных кокилей. При литье фасонных деталей в облицованные кокили толщина облицовки играет мень­шую роль. Из термофизических характеристик облицовки важное значение имеет коэффициент аккумуляции теплоты.

Зная температуру, при которой происходит остановка потока металла, по формуле (1) можно рассчитать путь, пройденный ме­таллом. Можно также определить, на сколько следует увеличить перегрев чугуна для компенсации снижения начальной темпе­ратуры кокиля. По опыту завода «Водоприбор», при уменьшении температуры формы на 50 град. T3ал следует увеличить на 25 град.

Эти данные получены при произ­водстве чугунных отливок мас­сой 17—22 кг и массе кокиля 400 кг.

1500 7600 Т700Т1ал, К Рис. 95. Влияние содержания углерода (/) и

_j___ I______ I______________ кремния (2), начальной температуры формы (3)

400 600 800 Т-,К и температуры заливки (4) на длину I спираль – ‘ ной пробы

Интересные технологические исследования жидкотекучести чу­гуна были проведены JL Б. Ко­ганом и другими исследователями с помощью U-образной пробы. Металл выплавляли в вагранке производительностью 4 т/ч. Ших – и 0,09—0,10 S. Чугун заливали при 1570 К. Во всех случаях жидкотекучесть чугуна, выплавленного по шихте II, была выше. Так, если длина прутка для чугуна по первому варианту состав­ляла 120 мм, то по второму 167 мм. Жидкотекучесть обоих чугу­нов оказалась одинаковой, когда температуру заливки металла II снизили до 1520—1540 К, т. е. на 30—50 град.

Линейная усадка. Это свойство чугуна зависит от его химиче­ского состава, скорости охлаждения отливки и других факторов, оказывающих влияние на фазовые превращения. Зависимость линейной усадки от содержания основных элементов чугуна иллюстрируется кривыми рис. 96 и 97. Из этих данных следует, что с увеличением содержания графитизирующих элементов усадка чугуна снижается. Элементы, препятствующие графитизации, усадку увеличивают. Связь свободной линейной усадки чугуна с его микроструктурой подтверждается данными, приведенными в табл. 21.

Как указывалось в гл. IV, общая линейная усадка сплава при литье в кокиль больше, чем при литье в песчаные формы. Это

Положение справедливо и для серого чугуна.

Для приближенного расчета линейной усадки чугунных отливок при литье в кокиль в работе [52 ] рекомендована формула

Е= 1,75- 0,24С-

— 0,65Сгр — (а-\-б)%,

Таблица 21 Линейная усадка чугунов

Типы чугуиов

Лиией-

 

Структура

Усадка, %.

 

Белый

Половин­чатый

П+Ц П+Ц+Гр

1,75— 1,65 1,64— 1,16

 

Перлитный

П+Гр

1,15— 1,10

 

Перлито – . ферритный

П+Ф+Гр

0,90— 0,70

 

Ферритный

Ф+Гр

0,60— 0,00

 

Составляющие шихты

I

Литейные чугуны JIKO,

JIKi………………………………………

60

Чугунный лом………………………

25

Собственный возврат

15

Передельные чугуны Б1, Б2

Ферросилиций……………………….

II

35 15 45 5

Ту применяли двух со­ставов:

Металл, полученный по шихте I, содержал 3,3 — 3,5% С; 2,3—2,5% Si; 0,4—0,6% Mn; 0,25— 0,30% Р; 0,10—0,12% S, а по шихте II: 3,6— 3,8% С; 1,6—1,8% Si; 0,6— 0,8%Мп; 0,06—0,12 P

Где С и Crp —содержание общего углерода и графита, %; а я б — параметры, зависящие от торможения усадки сопря­женными элементами отливки и песчаным стержнем соответ­ственно. Параметр а зависит от

‘ О 0,1 0,2 O1J Ofi 0,5 1,0 2,0 3,0 %

Рис.

В. Влияние химических элементов на лииейиую усадку чугуна

Конструкции отливки и нахо­дится в пределах 0,2—0,4. Величина б составляет обыч­но 0,15-0,25.

720О 1250 1300 1350 IUQO П50К

Рис. 97. Зависимость относительного удли­нения 4 и линейной усадки ? чугуиов от температуры при различном содержании фосфора по данным Л. Б. Когана и И. И. Новикова:

Сплошные кривые 0,2% Р; штриховые — 1,1% P

Т

На рис. 98 показаны кривые изменения усадки чугуна по мере охлаждения. Из кривых следует, что предусадочное расши­рение вследствие первичной графитизации протекает в период затвердевания. Этим объясняется пониженная склонность чугунов с пластинчатым графитом к образованию в них дефектов в виде пустот усадочного происхождения: выделяющийся при затверде­вании графит в большей или меньшей степени восполняет дефицит питания. Однако здесь необходимо подчеркнуть, что при литье в кокиль графитизация металла затруднена вследствие относи­тельно высокой скорости нарастания твердой корочки.

\

\ \

E

\

\Р 10 15

20 25 JOmin

Т, к

 

То

 

1200

 

0.S

 

1000

 

0,6

 

S00

 

OA

 

6 00

 

0.2

 

Т

 

0

 

-0,2,

 

Влияние положения чугунов на диаграмме состояния на за­кономерности образования в отливках усадочной пористости и раковин легко объяснить на основании теоретических положений, изложенных в гл. IV. Из условий (35) и (36) следует, что с повы­шением степени эвтектичности доэвтек – тических чугунов уменьшается склон­ность к образованию в отливках уса­дочной пористости, но увеличивается вероятность образования сосредоточен­ных раковин. Следует также, что усло­вия охлаждения отливок в кокилях препятствуют появлению в чугуне рас­средоточенных дефектов усадочного происхождения.

Рис. 98. Температурная зависимость свободной ли­нейной усадки е чугуна с пластинчатым графитом (Н. И. Клочнев)

Рис. 99. Зависимость показателя склонности к трещинообразованию кольцевых проб от содержа­ния фосфора в чугуне (штриховая линия — пока­затель склонности к образованию холодных тре­щин)

В сравнении с другими распро­страненными литейными сплавами чугун имеет сравнительно малую линейную и объемную усадку. Бла­годаря этим свойствам серого чугуна литьем в кокиль получают весьма сложные по конфигурации отливки с различной массой и толщиной сте­нок. При этом широко используют металлические стержни и болваны.

Трещиноустойчивость. С усадкой металла связаны напря­женно-деформированное состояние отливки и опасность возник­новения в ней трещин. В свете общих положений, изложенных в параграфе 7 гл. IV, оценка трещиноустойчивости материала отливки должна заключаться в сравнении температурных зави­симостей напряжений или соответствующих им деформаций с проч­ностью или пластичностью литого сплава.

Из производственного опыта литья в кокили известно, что с повышением содержания углерода и кремния склонность чугуна к образованию трещин заметно снижается. По данным, получен­ным при заливке в кокиль кольцевых проб, увеличение содержа­ния марганца с 0,5 до 0,9% повышает трещиноустойчивость чугуна; дальнейшее увеличение марганца приводит к отрица­тельным результатам.

Влияние фосфора на трещиноустойчивость чугуна при кон­такте отливки с формой можно оценить по кривым рис. 97. Как видно, при повышении содержания фосфора с 0,2% до 1,1% пластичность чугуна в нижней части эффективного интервала кри­сталлизации (1220 К) растет, а относительное удлинение падает. Из этого следует повышение трещиноустойчивости чугуна. Однако концентрация фосфора в количестве 0,2% соответствует наиболь­шей склонности чугуна к образованию в нем трещин (рис. 99). При P – V 0 трещиноустойчивость также растет, что объясняется уменьшением при этом интервала кристаллизации.

Как видно из рис. 99, при P >0,8% резко увеличивается опасность возникновения в отливках холодных трещин (штрихо­вая линия). По мнению авторов этих данных, растрескивание кольцевых проб при комнатной температуре связано с охрупчи – ванием чугуна.

Практикой получения тонкостенных чугунных отливок в ко­килях с металлическими стержнями установлено, что поверхност­ный отбел способствует образованию усадочных трещин. Связано это, по-видимому, с очень низкой пластичностью и относительно высокой усадкой цементитной корочки. Все мероприятия, обеспе­чивающие получение чугуна без отбела, способствуют повышению трещиноустойчивости отливок. Как показал опыт московских заводов им. Владимира Ильича и «Водоприбор», при содержании в чугуне 3,6—3,7% С и 2,4-2,7% Si (сумма не менее 6%) отливки типа подшипниковых щитов отбела не имеют, несмотря на малую толщину их стенок.

Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями при литье чугуна в кокиль меньше, чем при литье в песчаные формы. Объясняется это тем, что в кокиле значительно меньше источников образования указанных дефектов, чем в песчаной форме. Другие же источники этих дефектов (шихтовые материалы, плавка и заливка) мало связаны с особенностями технологии литья в кокиль и поэтому здесь не рассматриваются.

При охлаждении жидкого металла, особенно при затвердева­нии, растворимость газа в отливке уменьшается. Поэтому заливае­мый в кокиль металл может явиться источником газовыделения. Мощность этого источника связана с газонасыщенностью расплава. Процесс выделения газа из металла зависит от скорости охлажде­ния и давления. Повышение скорости охлаждения отливки при­водит к тому, что газы не успевают выделиться и остаются в раство­ренном (в металле) состоянии. Опыт показывает, что относительно небольшое давление 0,3 МПа (3 кгс/см2) вполне достаточно для подавления газовыделения. При литье чугуна, однако, основными источниками газовых дефектов являются влага, адсорбированная на поверхности кокиля, продукты окисления материала кокиля, газы, выделяющиеся вследствие деструкции покрытия кокиля, и, наконец, воздух, находящийся ‘в объеме рабочей полости ко­киля.

Железо и цементит в чугунном кокиле образуют микрогаль- ванопару, в которой в качестве анода выступает Fe, а в качестве катода Fe3C. Во влажной среде работа микрогальванопары за­ключается в следующем. Железо, теряя два электрона, превра­щается в катионы Fe++. Поскольку адсорбированная вода, будучи слабым электролитом, при диссоциации образует ионы ОН", происходит следующая реакция:

Fe+t + 20Н" – Fe(OH)2.

В поверхностном слое длительно работавшего кокиля было об­наружено 50% гидрозакиси железа [107]. Гидрозакись железа окисляется во влажной среде до Fe(OH)3. Одновременно проис­ходит восстановление ионов водорода до свободного газообраз­ного водорода. Таким образом возникает источник насыщения чугуна водородом.

Другим источником насыщения чугуна газом является разло­жение Fe(OH)2 по реакции

Fe(OH)2 FeO + H2O. Закись железа, в свою очередь, реагирует по схеме

FeO + С = Fe + СО с образованием угарного газа. Кроме того, возможна реакция

FeO + Fe3C = 4Fe + СО.

Что же касается выделения газа при нагреве кокильных по­крытий, то оно зависит от их состава и режима нанесения. Некото­рые сведения по этому вопросу приведены в гл. VI.

Для исключения опасности образования в отливке газовых раковин из-за воздуха, находящегося в объеме рабочей полости кокиля, последний должен иметь систему вентиляционных кана­лов. Для расчета площади сечения этих каналов рекомендуется формула (130).

Неметаллические включения в чугун могут вноситься извне и образовываться при взаимодействии примесей и газов, находя­щихся в металле. При литье в кокиль борьба с растворимыми вклю­чениями облегчается: с увеличением скорости затвердевания коли­чество примесей и их размеры уменьшаются.

Особенности микроструктуры. Повышенная скорость охлажде­ния отливки при литье в кокиль уменьшает степень графитиза – ции, увеличивает количество и дисперсность перлита, измель­чает графитные включения, что приводит к улучшению меха­нических и специальных свойств серого чугуна. Однако боль­шая скорость охлаждения и ее неравномерность по сечению отливки могут (при определенном химическом составе чугуна) привести к образованию особых структур, неодинаковых в раз­ных слоях с необычным их чередованием в отливках. Наиболее характерно для чугунных деталей, отлитых в кокиль, —наличие отбела в результате образования структуры белого чугуна на поверхности отливки. Интенсивность теплообмена и переохлажде­ние способствуют выделению в структуре связанного углерода (Fe3C), что и обусловливает образование отбела. Проблема преду­преждения отбела чугунных отливок при литье в кокили — одна из наиболее важных технологических проблем, решению которой посвящены работы многих исследователей [52, 105, 107, 148 и др. ]. Методы предупреждения отбела рассматриваются ниже.

Как аномальное расположение структур чугуна часто встре­чается следующее чередование их в отливках, полученных в ко­килях: в наружном слое П + Ц> 33 ним —Ф + Гр, в централь­ной части П – f Гр. При определенных условиях в наружном слое отливки может образоваться структура Ф – f Гр, во внутренних слоях —П – f – Гр. Образование ферритно-графитной структуры в^местахI повышенной скорости охлаждения на первый взгляд представляется явлением аномальным. В действительности такое явление обычно, оно обусловлено наличием дисперсного эвтек­тического графита (графита переохлаждения), который способ­ствует при перлитном превращении полному распаду аустенита и выделению феррита. Наличие в структуре чугуна феррито – графитной эвтектики заметно снижает некоторые его свойства (износостойкость, прочность и т. д.). Однако в ряде случаев фер- рито-графитная эвтектика оказывается полезной; она улучшает обрабатываемость отливок, повышает их герметичность, а иногда и повышает их термическую выносливость. Так как условия образования феррито-графитной эвтектики еще недостаточно изу­чены, то управление процессом структурообразования с целью ее предупреждения или стабильности формирования представляет собой сложную проблему.

Получение при литье в кокили благоприятной структуры чу­гуна (включая и наличие некоторого количества цементита, устраняемого последующим отжигом отливок) гарантирует от­ливкам более высокие, чем в случае литья в песчаные формы, ме­ханические свойства и герметичность. Литье чугуна в кокиль повышает его свойства до уровня, сопоставимого со свойствами литой и сортовой стали, а трудоемкость получения деталей при этом снижается почти на 50% 1162].

2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА

Примерные составы чугунов для литья в кокиль даны в табл. 22. С целью предупреждения в отливках отбела и умень­шения склонности к трещинам чаще всего увеличивают содержа­ние углерода и особенно кремния. Однако следует помнить, что при содержании кремния свыше 2,5% и большой скорости за­твердевания в чугуне обнаруживается силикокарбидная фаза, а при содержании кремния свыше 3,2% — жидкотекучесть сплава заметно падает.

Существенное влияние на предупреждение отбела оказывает модифицирование чугуна.[При модифицировании в расплаве может образовываться большое число центров кристаллизации. Некото­рые модификаторы нейтрализуют влияние вредных примесей.

Широко используемые на практике модификаторы указаны в табл. 22. Кроме них применяют силикокальций и графит. При высоком содержании углерода в качестве модификатора рекомен­дуется ферроцерий. В указанном случае другие модификаторы вызывают появление графитовой спели. Количество модифика­тора обычно вводят до 0,4% от массы жидкого металла. Исключение составляет ферроцерий. Как видно из рис. 100, при

Рис. 100. Влияние модификаторов чугуна на глу­бину h отбела технологической пробы: 1— алюминий; 2— силикокальций; 3— сплав ФЦМ-5 ®

5

Содержании ФЦМ-5 свыше, пример­но 0,2%, глубина отбела h увеличи – 41 вается. На том же рисунке приведены 5 данные о графитизирующем действии алюминия и силикокальция. 2

Наиболее сильное воздействие на качество чугуна оказывают комплекс­ные модификаторы. Последние не только изменяют параметры процесса кристал­лизации, но и рафинируют расплав. Анализ экспериментальных данных показывает, что при 1380 0C более половины введенного Si растворяется в чугуне; 26% идет на раскисление и 17% —на образование карбида кремния. Кальций же и церий в основном взаимодействуют с серой и кис­лородом, растворенным в металле. Алюминий в количестве 79% расходуется на образование окислов. Углерод в основном пере­ходит в раствор.

Уменьшение глубины отбела при модифицировании связано с уменьшением переохлаждения сплава. Следует ожидать, что элементы, которые в большей степени уменьшают переохлаждение, окажутся более активными модификаторами, предупреждающими отбел. Целесообразно сочетать модификаторы, образующие актив­ные зародыши и расширяющие зону критического переохлажде­ния [148].

Таблица 22

Химический состав (%) серого чугуна

Характеристика отлнвок

С

Sl

Mn

P

S

Модифи­каторы

Тонкостенные реб­

Ристые, отжигаемые

На феррит….

3,6 — 3,7

2,1-2,3

0,4 — 0,5

До 0,1

До 0,05

0,1 % KOKCH-

Ка — в пла­вильную печь перед выда­чей метал­ла; 0,05% ФЦМ-5 — в разливоч­ный ковш

Тонкостенные арма­

Турные неответ­

Ственного назначе­

Ния (без отбела)

3,2 — 3,8

2,5 — 3,2

До 0,8

0,4-0,6

До 0,1

Машиностроитель­

Ные (без отбела)

3.5 — 3,7

2,5 — 2,7

0,5 — 0,9

До 0,6

До 0,12

3,5 — 3,7

2,0 — 2,2

0,5 — 0,9

До 0,6

До 0,12

0,2% Al

3,2 — 3,4

2,0 — 2,2

0,5-0.9

ДО 0,6

До 0,12

0,2% Al,

0,3% ФС 75

В предыдущем параграфе рассматривались аномальные струк­туры чугуна. При борьбе с ними следует руководствоваться сле­дующими данными. Наиболее надежным способом получения перлитной структуры является применение специального модифи­цирования и легирования, в том числе и микролегирования. Весьма эффективными являются присадки в чугун сурьмы и олова, обеспечивающих получение перлитной структуры по всему сече­нию отливки (исследования И. П. Гладкого). Для предупреждения образования феррито-графитной эвтектики требуется присадка до 0,15% Sn. Сурьма является более эффективным перлитизатором, чем олово. Чтобы получить в чугуне перлитную структуру, доста­точно 0,05—0,1% Sb, при этом не образуется междендритное строение графита. Более эффективна комплексная присадка в чу­гун: олово и ферроцерия одновременно.

Положительные результаты по износостойкости получены после обработки чугуна присадкой ФЦМ-5. Износостойкость чугуна с присадкой олова и сурьмы, залитого в кокиль, на 10% выше, чем износостойкость чугуна, отлитого в песчаные формы.

3. ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Различные типы литниковых систем чугунных отливок при­ведены на рис. 101. В практике наибольшее распространение получил верхний подвод металла. При этом стойкость кокилей в 2—3 раза выше, чем при сифонной заливке. Кроме того, обеспе­чивается направленное затвердевание отливок и сокращается расход металла, на литники. Примеры конструкций производ-

Рис. 101. Схемы литниковых систем для получения отливок из серого чугуна в кокилях с вертикальной (а) и горизонтальной {б) плоскостями разъема

Ственных кокилеи с верхним подводом металла показаны на рис. 69, а; 70 и 72 и с боковым —на рис. 71. Для уменьшения разбрызгивания падающего с большой высоты металла кокиль иногда наклоняют на несколько градусов.

В кокиле более всего изнашиваются зоны, образующие литни­ковую систему, и часть формы, на которую попадает первая пор­ция металла. В связи с этим рекомендуется рассредоточенный подвод металла и плавное, безударное заполнение формы. Целе­сообразно в форме выполнять две литниковые системы для по­очередного использования каждой или предусматривать возмож­ность перехода на новую. Отливки из серого чугуна получают в кокилях обычно без прибылей.

В основе расчетных формул для расчета площади сечения эле­ментов литниковых систем лежит известное из курса гидравлики выражение, устанавливающее расход жидкости при вытекании через затопленное отверстие:

Q =VJP^wr, (134)

Где (i — коэффициент расхода; F — площадь отверстия; g — ускорение свободного падения; H — высота уровня жидкости над центром тяжести отверстия. Если считать, что в процессе заливки H не изменяется, то, очевидно,

М\ = p{Fnti\i V 2g#, (135)

Где M1 — масса отливки; pi — плотность жидкого металла; Fn — площадь сечения питателя; t1 — продолжительность заливки. Небольшим значением величины может быть период, в течение которого температура металла при движении в полости кокиля изменяется от Тзал до ГзаТв. Учитывая это из уравнения (1), полагая в нем г — 0 (фронт потока), находим

^^lnl"""^*, (136)

А1ф ‘ затв " ‘ с ф

Где Rc — приведенный размер полости формы.

В соответствии с рассуждениями, приведенными в параграфе 2 гл. II, можно положить Oc1 = XJXkp и Tc. ф =• Т2н. Тогда из урав­нений (135) и (136) окончательно находим

Fn =——————— P^f————— = • (137)

1 затв ‘ 2Н

Величина Fn, найденная с помощью формулы (137), является минимальной. Поэтому потребное сечение питателя определяется по выражению Fn = kF„,

Где k —коэффициент запаса, k > 1.

Зал

10 30 50 70 90 1002Х,,т

Рис. 102. График для определения 7"gaJ] в зависи­мости от толщины стеики отливки 2Xt

Для определения площади сече­ния других элементов литниковой системы рекомендуются следующие соотношения [52]:

Fn-F^-Fcr=I :1,15: 1,25,

Где Fjlx — площадь сечения литникового хода; Fct — площадь сечения стояка.

В заключение рассмотрим некоторые практические данные. Для отливок из серого чугуна скорость подъема металла в кокиле должна быть не менее 10 мм/с при толщине стенки отливки до 10 мм. По опыту производства тонкостенных отливок массой 15—30 кг в кокилях с вертикальным разъемом на заводе «Водо – прибор» (г. Москва) рекомендуются питатели, рассчитанные по условию: 1 см2 — на 4,5—5,0 кг массы отливки. По данным этого же завода, заполняемость формы и качество отливок заметно улуч­шаются применением обычного зумпфа глубиной 45 мм или ша­ровидного диаметром 50 мм.

Температура заливки Тзал чугуна в кокиль находится обычно в пределах 1280—1330° С. С повышением T3an стойкость кокилей падает. Поэтому в исключительных случаях (для получения отливок сложной геометрической формы) Тзал увеличивают до 1360° С. Для выбора T3an рекомендуется график, показанный на рис. 102.

В ряде работ выявлены многие «тонкости» влияния элементов литниковой системы на качество отливок. Так отмечается, что литниковые системы, обеспечивающие ламинарный поток чугуна при минимальной продолжительности, способствуют уменьшению отбела [171].

4. ПОДГОТОВКА КОКИЛЯ

Как видно из формул (4) и (4′), возможности управления ско­ростью затвердевания и, следовательно, формирования свойств отливки заложены в выборе начальной температуры кокиля, свойств и толщины покрытия формы, т. е. в осуществлении меро­приятий по подготовке формы к очередной заливке.

В зависимости от химического состава чугуна цементит в от­ливке образуется при скоростях затвердевания 5—2 мм/с. Изме­нение и с 5 до 2 мм/с приводит к увеличению размеров зерен цементита с 4 до 20 мкм.

Из экспериментальных данных, приведенных на рис. 103, следует, что с повышением Т2н вплоть до 720 К глубина отбела заметно уменьшается. При этом уменьшается также перепад

Кокиля 7"зн иа глубину отбела А отливки и перепад температуры 6Г2 по толщине

Стенки кокиля

Температур ST2 по толщине стенки формы (расчетные данные), что является положительным фактором с точки зрения стойкости кокилей. Влияние Т2Н на жидкотекучесть и усадку металла рас­сматривалось ранее.

При заливке чугуна в неподогретый кокиль в отливке могут образовываться подкорковые газовые раковины. Это объясняется тем, что на поверхности холодной формы адсорбируются пары воды. Если холодный кокиль перед заливкой обтереть керосином или машинным маслом, то эти дефекты не возникают. При Tiil более 770 К не исключено появление в отливках газовой пори­стости. Для выбора T211 в производственных условиях можно пользоваться графиком, показанным на рис. 104.

В табл. 23 приведены покрытия, рекомендуемые НИИСЛ для литья чугуна. Согласно классификации, данной в гл. VI, все они относятся к группе тонкослойных. Составы 2 и 4 предназна­чены для многоразового использования: наносятся в качестве под­слоя 1—2 раза в смену. Составы 1, 3, 5 и 6 являются разовыми. Они могут наноситься на многоразовый подслой или непосред­ственно на рабочую поверхность кокиля. В практике литья в ко­киль чугуна в качестве разового тонкослойного покрытия широко применяют водный раствор пасты ГБ. Состав разводят до плот­ности 1080—1100 кг/м3.

Рис. 104. График для выбора начальной тем­пературы кокиля в зависимости от приве­денной толщины стенки отливки ^no

С помощью расчетных формул параграф 2 гл. II определяют толщину покрытия Xkp при заданных термических условиях литья, например скорости затвердевания, длительности каждой стадии охлаждения отливки или ее элемента и др. Необходимые для вы­числений значения Я, кр можно принять по данным, приведенным в табл. 3 и 4 (см. гл. VI), или рассчитать по формуле (60). Экспериментальные величины Хкр для многочисленных составов можно найти также в работах [11, 16—19, 56, 147 и др.].

Таблица 23 Составы покрытий и красок для литья чугуна, % по массе *

№ состава Jf

Сажа TM-15

Огнеупор­ная глина

Молотый тальк

Молотый шамот

Ацетилено­вая копоть

Марганцево-

Кнслый

Калий

(сверх 100%)

Бура (сверх 100%)

Жидкое стекло

Смачиватель ОП-7 или

Оп-ю

1 2

3

4

5

6

4

10—15 7—10

* Оста ** Соде

2

4

10—15 **

Льное — во ржание гл!

23 да.

1ННСТОЙ

40

Эмульс

100 ии гтл01

0,05 0,05

Гностью 13

1,2 30—140

4 6 8

5—7

Кг/м3.

0,5 0,4—0,6

В заключение необходимо отметить, что комплексную оценку влияния на условия формирования отливки всех факторов, свя­занных с подготовкой кокиля, можно дать с помощью структурных диаграмм, приведенных, на рис. 12 или 51, и расчетных зависи­мостей гл. II. Примеры практического применения указанных диаграмм описаны в гл. III и VII.

5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Термическую обработку чугунных отливок, получаемых при литье в кокили, осуществляют для устранения отбела и феррито – графитной эвтектики, снятия внутренних напряжений и улучше­ния механических свойств. Наиболее часто ее применяют для устранения отбела.

Термическая обработка состоит из высокотемпературного гра – фитизирующего отжига с нагревом до 1120—1220 К, некоторой выдержки и охлаждения вместе с печью или на воздухе. Для устранения отбела может быть осуществлена также термическая обработка отливок сразу после выбивки из формы: отливки в го­рячем состоянии загружают в печь, нагретую до 1220 К, выдер­живают в ней 2—3 ч и охлаждают на воздухе.

В настоящее время некоторые заводы начали подвергать тер­мической обработке отливки с целью перлитизации структуры чугуна, содержащей междендритный графит. При нагреве чугуна с междендритным графитом распад эвтектоидного цементита успе­вает произойти до достижения температуры Acf. Процесс аусте – низации протекает в металле за счет растворения углерода графита в Fev. Аустенит зарождается и растет в первую очередь около включений графита. С увеличением температуры нагрева количе­ство аустенита возрастает. Однако в интервале Ac^—Ас\ (1050 — 1100 К) превращение не завершается. Небольшие участки феррита наблюдаются в дендритах чугуна при нагреве выше Ас\.

Данные металлографического и высокотемпературного рент- геноструктурного анализа свидетельствуют о том, что в чугуне с междендритным графитом участки феррита сохраняются при нагреве до 1190—1200 К. Нагрев до более высоких температур (выше 1270 К) сопровождается интенсивным растворением и сфе – роидизацией графитовых включений. Для полного исключения структуры свободного феррита в чугуне аустенизацию необходимо проводить при более высоких температурах (>Лс3на 120—150 град).

При одном и том же химическом составе чугуна время, необ­ходимое для насыщения аустенита углеродом междендритного графита, в 5—8 раз меньше, чем время, необходимое для насыще­ния углеродом пластинчатого графита (Г. Г. Бойко). Это объяс­няется тем, что междендритный графит отличается чрезмерной дисперсностью и сильно развитой межфазовой поверхностью.

Наиболее высокие механические свойства у чугуна с меж­дендритным графитом достигаются при трооститной металличе­ской основе, которая обеспечивается закалкой с последующим от­пуском при 770 К. Температура высокого отпуска чугуна с меж­дендритным графитом не должна превышать 870 К во избежание образования ферритной металлической основы. Оптимальная температура закалки чугуна 1220—1270 К. Наибольшей износо­стойкостью обладают чугунные отливки с междендритным графи­том после закалки и отпуска при 570—670 К. Закалка и отпуск чугуна с междендритным графитом повышает механические свой­ства в 1,5—2 раза и износостойкость в 3—6 раз (Г. Г. Бойко).

Снятие внутренних напряжений в отливках производится на­гревом до 770—870 К, выдержкой 2—8 ч (в зависимости от кон­фигурации и габаритных размеров отливки) и охлаждением вместе с печью со скоростью 20—50 град/ч до 520 К-

6. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Брака отливок при литье в кокиль по сравнению с литьем в песчаные формы обычно меньше, а некоторые виды брака (воз­никающие при литье в песчаные формы) вовсе не наблюдаются. Однако появляется ряд специфических видов брака, связанных с большой жесткостью литейных форм и повышенной скоростью охлаждения в них отливок. Наиболее распространенные дефекты чугунных отливок — их отбел и аномальное чередование в них структур чугуна — подробно рассмотрены выше.

Специфические виды брака при литье чугуна в кокиль, при­чины брака и методы устранения сведены в табл. 24,

Таблица 24

Виды брака, причины и способы предупреждения

Причина брака

Способы предупреждения

Hecoomeen

Отклонение состава металла Нарушение температурного ре­жима плавки, модифицирования и заливки

Несоответствие начальной темпе­ратуры кокиля

Нарушение режима нанесения на кокиль теплозащитного покрытия

Чствие структуры

Соблюдение установленных для данного технологического процесса: состава металла; режима плавки; состава, количества и режима ввода модификато­ра; режима заливки; начальной темпера­туры кокиля; состава и толщины тепло­защитного покрытия

Газо

Подсос воздуха при заливке

Повышенное газосодержание за­ливаемого металла Недостаточная вентиляция по­лости кокиля

Низкая температура заливаемого металла

Холодный кокиль и непросушен – ное теплозащитное покрытие Перегретый кокиль

Сильно окисленная поверхность кокиля при значительном разгаре

Повышенная газотворная спо-. собность песчаного стержня

Вые раковины

Изменение конструкции литниковой си­стемы с целью исключения возможности отрыва струи от поверхности формы и раз­брызгивания потока при входе в рабочую полость

Изменение состава шихты и повышение температуры перегрева Увеличение сечения вентиляционных от­верстий и устройство дополнительных Повышение температуры заливаемого ме­талла

Подогрев кокиля, тщательное просуши­вание покрытия

Охлаждение кокиля и в дальнейшем под­держание оптимальной частоты заливки и режима охлаждения формы Очистка кокиля, ликвидация сетки тре­щин (обычно путем механической обработ­ки), нанесение на кокиль при консерва­ции антикоррозионного покрытия Снижение газотворной способности свя­зующего, тщательное высушивание стерж­ня, снижение скорости заливки металла

Hedo

Недостаточная жидкотекучесть расплава

Большая протяженность литни­ковой системы

Ливы и неспаи

Повышение температуры заливаемого ме­талла, снижение содержания серы и по­вышение содержания фосфора и кремния (не более 3%)

Устройство коротких литниковых систем, заливка сверху

Продолжениетабл. 24

Причина брака

Способы предупреждения

Ускоренное охлаждение потока расплава

Повышение начальной температуры ко­киля, тщательное нанесение теплозащит­ного покрытия на кокиль в зоне литнико­вой системы

Нетехнологичность конструкции отливки

Разъем кокиля по кромке от­ливки

Местный перегрев отливки Недостаточная податливость формы

Залив металла по поверхностям сопряжения частей кокиля Ускоренное и неравномерное охлаждение отливки после извле­чения из кокиля

Трещины

Упрощение конструкции отливки: выпол­няются плавные переходы, вводятся гал­тели, уклоны и др.

Перенос разъема формы на расстояние не менее 2—3 мм от кромки отливки Рассредоточивание подвода металла Применение податливых песчаных стерж­ней, раннее извлечение металлических стержней, раскрепление кокиля и извле­чение отливки из формы Тщательная сборка формы, подгонка ча­стей кокиля

Замедление охлаждения отливки, напри­мер путем помещения ее в термостат

ЛИТЬЕ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость чугунов, неза­висимо от их положения на диаграмме состояния, после обра­ботки магнием и церием заметно падает. Снижение температуры расплава приводит к повышению вязкости (см. рис. 94). Вязкость растет с увеличением содержания углерода и при изотермической выдержке. Последнее обстоятельство, по мнению Н. И. Клочнева, связано с удалением из расплава модификатора [66].

Обработка чугунов магнием и церием вызывает увеличение поверхностного натяжения расплава на 50—60%.

Жидкотекучесть. Данные о влиянии магния на жидкотеку – честь чугуна разноречивы.

Влияние начальной температуры кокиля, температуры за­ливки, толщины и состава покрытия кокиля на жидкотекучесть чугуна с шаровидным графитом аналогично влиянию на жидко­текучесть чугуна с пластинчатым графитом. Количественная оценка влияния перечисленных факторов может быть осуществлена с помощью формулы (1).

Усадка. В табл. 25 приведены данные (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко) о свободной линейной усадке в кокилях образцов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Как видно, увеличение диаметра образцов, а также дополнительное модифи­цирование металла ферросилицием приводят к уменьшению усадки. Полученные результаты вполне закономерны и объясняются уве­личением степени графитизации с ростом толщины стенки отливки и с вводом графитизирующего модификатора. Сравнение данных табл. 21 и 25 показывает, что полная усадка чугуна с шаровидным графитом примерно равна усадке чугуна с пластинчатым графитом при аналогичных металлических основах (образцы диаметром 10 мм имели структуру белого, диаметром 30 мм — половинчатого и диаметром 50 мм — перлитного чугунов).

Многочисленными исследованиями установлено, что влияние химического состава и скорости охлаждения на рассматриваемое свойство не зависит от формы включений графита.

Особенность линейной усадки чугуна с шаровидным графитом заключается в 2—3 раза большей, чем у чугуна с пластинчатым графитом, величине предусадочного расширения, а также в бо­лее либо менее полной реализации последнего процесса после затвердевания (рис. 105). Вследствие этих особенностей чугун с шаровидным графитом имеет пониженную склонность к образо­ванию горячих трещин, но повышенную склонность к образова­нию усадочных в основном сосредоточенных раковин и пористости (рис. 106). Графики на рис. 106 показывают, что объем усадочных

Таблица 25

Свободная линейная усадка чугуна

Диаметр образца,

MM

Усадка, %, при модифицировании

Магнием

Магнием и ферроси­лицием

10

2,09

1,81

30

1,77

1,53

50

1,24

1,17

Рис. 106. Относительный объем усадочных раковин (%) в отливках:

1 — усадочные раковины и пористость; 2 — сосредоточенные усадочные раковины

Раковин зависит от углеродного эквивалента и достигает макси­мальной величины, если состав чугуна близок к эвтектическому. Опыт показывает также, что объем усадочной раковины увели­чивается при снижении Tзал. Влияние ширины интервала кри­сталлизации ВЧШГ на особенности усадочных процессов анало­гично рассмотренному ранее для серого чугуна (см. параграф 1 гл. XI).

Рис. 105. Изменение температуры отливки (/) и предусадочного расширения (2) чугуна (по Н. И. Клочневу)

Трещиноустойчивость. Как указывалось, чугун с шаровид­ным графитом имеет предусадочное расширение большее, чем серый чугун, и, следовательно, меньшую склонность к образованию горячих трещин. Благодаря этому в кокилях из чугуна с шаровид­ным графитом получают весьма сложные отливки, т. е. такие, фор­мирование которых протекает в условиях сильно затрудненной усадки. Сказанное подтверждается производственными приме­рами (см. рис. 66 и 72), а также результатами специальных исследований. При отливке образцов диаметром 10, 30 и 50 мм в кокилях, исключающих свободную усадку металла, было уста­новлено (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко), что трещины образуются в интервалах температур 1000—970, 970—700 и 800—700 К соот­ветственно. Следовательно, опасные с точки зрения образования трещин интервалы температур находятся ниже, чем принятые тем­пературы удаления отливок из кокиля. Можно подчеркнуть, что с повышением толщины стенки отливки опасность появления горя­чих трещин снижается.

Чугун с шаровидным графитом, однако, имеет повышенную в сравнении с серым чугуном склонность к образованию холодных трещин. Этот недостаток проявляется полнее всего при литье в кокиль, что связано с отбелом чугуна (особенно в тонких сече­ниях). Из других факторов, влияющих на образование холодных трещин, необходимо отметить относительно высокое значение модуля упругости и пониженную величину теплопроводности. Понятно, что эти факторы снижают трещи неустойчивость высо­копрочного чугуна.

Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями. Данные относительно поражаемосы газовыми включениями серого чугуна, изложенные в предыдущей главе, имеют прямое отноше­ние к литью чугуна с шаровидным графитом. Для отливок из чу­гуна с шаровидным графитом характерны также неметаллические включения, получившие название «черные пятна».

Первыми исследованиями зон отливок, пораженных черными пятнами, было обнаружено повышенное (в сравнении со средним) содержание магния (в несколько раз) и серы (в несколько десят­ков раз). Это послужило основанием для предположения, что черные пятна представляют собой в основном сульфиды магния (MgS), образующиеся при модифицировании. Такое предположе­ние подтверждалось уменьшением черных пятен по данным сер­ных отпечатков по мере снижения в чугуне содержания серы. Однако позднее, благодаря исследованиям Е. Б. Шицмана и др., было установлено, что черные пятна кроме MgS содержат MgO в виде окисных плен.

Включения сульфидов имеют более или менее компактную форму. Их образование завершается в процессе модифицирования и связано с наличием серы расплава. Обладая существенно мень­шей, чем чугун, плотностью включения, MgS легко всплывают в ковше. Поэтому радикальными мерами борьбы с сульфидными включениями являются снижение содержания серы в чугуне (до 0,01%) и перевод сульфидов в шлак с помощью флюсов (крио­лит, плавиковый шпат и др.) с последующим скачиванием шлака. В случае, когда сульфиды попадают в форму, они располагаются обычно в верхней по заливке части отливки. При ускоренном охла­ждении чугуна (например, в кокиле) соединения MgS могут быть рассредоточены по объему отливки. Они легко обнаруживаются по серным отпечаткам и характерному темно-серому цвету в из­ломе.

Включения окислов имеют форму тонких пленок. Эти включе­ния, действуя подобно надрезам, заметно снижают прочность, пла­стичность и герметичность чугуна. Окислы образуются на свобод­ной поверхности расплава, чем и объясняется их пленочный вид,

Рис. 107. Окисиые плеиы в изломе отливки из чу­гуна, модифицированного магнием

А также возникновение как в ковше, так и при движении металла в фор­ме. Пленки окислов при завихрении потока расплава разрываются и за­стревают в теле отливки. Их раз­меры могут быть от десятых долей до нескольких миллиметров (рис. 107). С окисными пленами могут взаимо­действовать включения сульфидов. В этом случае плены обнаружи­ваются по серным отпечаткам. Образование плен связано с по­вышенной окисляемостью магние­вого чугуна. Как показал Е. Б. Шиц-

Ман, склонность чугуна к образованию этих включений за­висит от температуры и содержания магния: чем больше маг­ния содержится в металле, тем выше температура пленообразо – вания. При нагреве выше этой температуры образование плен термодинамически невыгодно. Так, при содержании 0,035— 0,037% Mg окисные плены не обнаруживаются, если T3an свы­ше 1690—1720 К. Из изложенного следует, что борьба с окисными пленами заключается в предотвращении окисления расплава магниевого чугуна.

К специфичным дефектам отливок из чугуна с шаровидным графитом относятся также неметаллические включения в виде ликватов графита. Располагаются они, как и прочие неметалличе­ские включения, в верхних по заливке участках отливки. Иссле­дованиями, проведенными в НИИСЛе, установлено, что ликва­ция не наблюдается, если углеродный эквивалент не превышает 4,35% для отливок с приведенной толщиной стенки 20—25 мм и 4,5% для тонкостенных (~5 мм) отливок.

Особенности микроструктуры. Из данных гл. III следует, чем больше скорость затвердевания и охлаждения чугуна, моди­фицированного сфероидизирующими веществами, тем правильнее шаровидная форма и меньше размеры включений графита. Поэтому при литье в кокиль создаются весьма благоприятные условия для получения чугуна с шаровидным графитом.

Как известно, основные сфероидизаторы графита — магний и церий — при их использовании в количествах, обеспечивающих получение шаровидного графита, оказывают сильное отбеливаю­щее действие. Это обстоятельство в сочетании с ускоренным охла­ждением металла приводит к тому, что отливки из чугуна с шаро­видным графитом, полученные в кокилях, при толщине стенки до 15—20 мм имеют сквозной отбел. Следовательно, термическая обработка таких отливок, за исключением особых случаев, является обязательной.

2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА

Чугун с шаровидным графитом, применяемый для литья в ко­кили, имеет обычно следующий состав, %: 3,2—3,5 С; 2,8—3 Si; 0,6—0,9 Mn; до 0,12 Р; до 0,12 S (до модифицирования). Содержа­ние модификаторов в металле должно находиться в пределах: 0,03—0,08% Mg и 0,02—0,05% Ce. При большем содержании сфероидизаторов металл охрупчивается. Углерод следует поддер­живать на верхнем пределе, так как при этом, в отличие от серого чугуна, обеспечиваются высокие механические и, кроме того, улуч­шаются литейные свойства. На структуру отливок из чугуна с ша­ровидным графитом воздействуют обычно изменением количества кремния. Однако превышение концентрации кремния сверх 3% не рекомендуется вследствие появления хрупкости.

При литье в кокиль наибольшее практическое применение нашло модифицирование чугуна металлическим магнием в каме­рах-автоклавах. Основные положения этой технологии разрабо­таны в НИИСЛе и сводятся они к следующему [145]. Если содер­жание серы в исходном чугуне превышает 0,12%, то металл обра­батывают кальцинированной содой. Магний вводят в количестве 0,17—0,25% от массы чугуна в ковше. Модификатор представляет собой магниевый сплав в чушках марок MMl или ММ2 по ГОСТ 2581—78. Перед модифицированием в металл дают криолит (ГОСТ 10561—73) в количестве от 0,05 до 0,10%. Давление сжа­того воздуха в камере-автоклаве устанавливают перед вводом модификатора в зависимости от температуры:

Температура чугуна в ков­ше, К До 1630 1630—1650 1650—1670 1670—1690

Давление сжатого воздуха,

Кгс/см2, не менее…………………. 5,0 5,6 6,4 7,3

После ввода магния металл перемешивают мешалкой, погру­жаемой в ковш с частотой не менее 20—30 погружений в минуту. Продолжительность этой операции зависит от количества вводи­мого магния и массы чугуна в ковше. Так, при количестве моди­фикатора 0,1 % и массе чугуна 250 кг длительность перемешивания составляет 20 с; с увеличением массы чугуна до 1000 кг длитель­ность равна 35 с. При вводе 0,30% Mg указанные параметры соста­вляют 80 и 135 с соответственно. Графитизирующие модификаторы (например, ферросилиций) вводят в расплав вместе с магнием, либо после него.

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Литниковые системы. Специфику литейных свойств чугуна с шаровидным графитом учитывают при выборе литниковой си­стемы. Большинство отливок, получаемых литьем в кокили, имеют вертикальную плоскость разъема, что диктуется технологическими и экономическими соображениями (вертикальный разъем предопре­деляет использование конструктивно простых и удобных в обслу­живании кокильных машин). Подвод металла в форму с верти­кальным разъемом можно осуществлять сверху, сбоку и снизу. Возможные варианты подвода металла и конструкции литниковых систем показаны в виде схем на рис. 108. Для получения сложных отливок металл целесообразно подводить через прибыли и питаю­щие бобышки.

Большая склонность жидкого чугуна с шаровидным графитом к образованию тугоплавких неметаллических включений требует спокойного заполнения кокиля. При такой заливке резко умень­шается окисление поверхности металла и предотвращается попа­дание образовавшихся включений в отливку. Кроме того, литни­ковая система должна быть обязательно тормозящей для обеспе­чения подачи в нее защитного флюса и предохранения от попада­ния его в форму.

Рис. 108. Варианты подвода металла и конструкции литниковых систем: а, б, а — подвод сверху; г, д — подвод сбоку; е — подвод снизу

В) е)

Расчеты сечения питателей Fu при литье чугуна с шаровидным графитом можно выполнять по формуле (137). При этом необхо­димо учитывать, что коэффициент расхода {г для этого чугуна сечения питателей в первом случае соответственно больше, чем во втором. Для практических расчетов величины р, рекомендуется принимать по табл. 26.

Таблица 26

Значение коэффициента расхода

Внутренние полости

Подвод металла

Снизу

Сбоку

Сверху

Без песчаных стержней………………………

С песчаными стержнями……………………..

0,18—0,27 0,23—0,37

0,21—0,31 0,26—0,42

0,24—0,35 0,29—0,45

Меньшие значения р, в табл. 26 относятся к кокилям с затруд­ненным газоотводом.

При расчетах величины Fn для литья высокопрочного чугуна в кокили удобно также пользоваться номограммами, позволяю­щими определить продолжительность заливки (рис. 109) и пло­щади сечения питателей Fn (рис. 110) [157]. По первой номограмме продолжительность заливки находят, пользуясь последовательно шкалами Mi, 2Xi, у, Kv и t – Вспомогательная шкала у необхо­дима для перехода от прямой Mi 2Xi, пересекающей шкалу у, к прямой у Kv, пересекающейся со шкалой t в точке искомой величины (индексы «св» и «сн» соответствуют подводам металла сверху и снизу).

Номограмма на рис. 110 имеет три вспомогательные шкалы 7i, 72, 73, на которых последовательно определяют точки пересече­ния с прямыми соответственно:

T Я; 7i Mi; 72 -»- ц, после чего по точке пересечения прямой 73 г] со шкалой F находят искомую площадь сечения питателей. Коэффициент Kv принимают в зависимости от величины отношения yv = Mi/Vra6 (где Mi и Kra6 — масса и габаритный объем отливки);

Yv, кг/м^ 0—500 500—1000 1000— 1500— 2000— 2500— 3000—

1500 2000 2500 3000 ‘ 3500 Kv 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4

Коэффициент заполняемости т] определяют по зависимости

T1 = 0,036СЭ + 0,0028ГП + 0,0013Г2н,

Где C3 — углеродный эквивалент (C3= (С + 0,31Si)%); Tn — температура перегрева заливаемого металла, °С; Tzh — начальная температура кокиля, °С,

Для построения номограмм, представленных на рис. 109 и 110, использована зависимость (134) и известная эмпирическая формула для определения продолжительности заливки:

‘зал = fIlM"*,

Где W1 и п2 — коэффициенты, определяемые эксперименталь­ным путем.

Размеры остальных элементов литниковой системы назначают из условия ее постоянного заполнения и обеспечения шлакоотде – ления, для чего пользуются соотношениями

Wt 60

Рис. 109. НомограммаЮ. С. Jlep – иера и Е. Б. Шицмана для определения продолжительности заливки высокопрочного чугуна в кокиль. Продолжительность заливки сверху ^cb и снизу Z1ch определяется в последовательно­сти :

Mj-> 2 X^ у Ky -+ t. Линиями 1 — 11 показан пример определения для отливки массой M1 = 15 кг при следующих условиях: преобладающая толщина стенкн 2Xt = 10 мм, Ky = 1,0

TCB’0 tCh’0

^1Fn : Fct = 1,0 :1,1,

Рис. 110. Номограмма Ю. С. Лернера и Е. Б. Шицмана для определения площади се­чения питателей прн заливке высокопрочного чугуна. Площадь сечеиия питателей Fn определяется в последовательности:

T H -> V1 M^ ->72->ц->7з->Л-> Fn – Лнннямн I-IV показан пример опре­деления Fn для отлнвкн массой M1 = 30 кг прн следующих условиях: t= 10 с, на­пор H = 9 см, коэффициент расхода ц = 0,3, Г) = 1,4

А при наличии шлакоуловителя

Ј^:^:^=1,0:(1,2-1,4): 1,1,

Где Fct и Fiuji — площади поперечного сечения стояка и шлако­уловителя.

В заключение отметим, что T3ajl в кокиль чугуна с шаровид­ным графитом находится обычно в пределах 1570—1610 К.

Прибыли и питающие бобышки. Эти элементы рекомендуется выполнять в стержнях либо в песчаных чашах (см. рис. 108). Коэффициент тепловой аккумуляции песчаного состава, как пра­вило, на порядок меньше, чем материала кокиля, что обеспечи­вает сокращение размеров и повышение эффективности работы прибылей. Конструкция и место расположения прибылей и пи­тающих бобышек зависят от объема и конструкции теплового узла отливки. При этом в качестве исходного параметра берут диаметр окружности (Dy), вписанной в питаемый узел. Анализом питающих систем, применяемых при литье чугуна с шаровидным графитом в кокили, установлено, что выбор прибылей отливок целесообразно осуществлять, пользуясь следующими соотноше­ниями: диаметр прибылей (Dnp) для компактных узлов отливок типа втулок, поршней Dnp = 0,8Dy; для узлов типа брусков, ста­нин, кронштейнов ит. п. Dnp = Dy; для плоских отливок типа плит, заливаемых горизонтально, Dnp = l,2Dy. Высоту прибыли назначают из соотношения Hnp= 1,25Dnp. Диаметр перешейка, связывающего прибыль с питаемым узлом, должен быть d — (0,3-г – -0,5) Dnp.

Толщины стенок стержней, в которых выполняются питаю­щие элементы, не должны превышать 10—20 мм.

Приведенные рекомендации позволяют выбрать размеры пи­тающих отливку элементов в первом приближении. При желании уточнения выбранных величин следует обратиться к формулам гл. IV.

4. термическая обработка

Полученные в кокилях отливки из высокопрочного чугуна подлежат, как правило, термической обработке. Она необходима для ликвидации в отливках структурно-свободного цементита, получения необходимого соотношения перлита и феррита в ме­таллической матрице, снятия внутренних напряжений и дости­жения в конечном итоге заданных свойств чугуна.

1. Основы теории графитизирующей термической обработки. Если представить законы изменения радиуса аустенитного дво­рика [45] шаровидного включения г (t) и скорости роста числа центров кристаллизации п (t) в виде функций

Г = Kutb и n(t) = n0 + тxt + m2t2,

Где Ku, п-о, т2 — постоянные коэффициенты, то можно решить известное кинетическое уравнение А. Н. Колмогорова (23). Решение это имеет вид

^L=I – exp [-(K3+ Knt + Kmf + Kmf) t3bV (138)

* от

Здесь V — текущий графитизированный объем отливки; Vot — объем отливки;

K3 = -^-nN3Ki, Kn — 3(364J1[_!) по Ku,

К ^nmlKl_______________________ 8 Ttm2K3u__________

Дот’ 3(36 + 1)(36 + 2)’ дш* 3(36+ 1)(36 + 2)(36 + 3)’

N3 — число активных затравок (подложечных включений) в еди­нице объема. При выводе формулы (138) внутренний интеграл в вы­ражении (24) взят в пределах 0 — (t — f), так как начальная скорость роста зародыша не зависит от момента его появления.

Из теории кристаллизации известно, что при завершении про­цесса показатель экспоненты со в выражении (138) находится в пре­делах 4—5,36. Поэтому, приравняв показатель экспоненты этой величине, получим формулу для расчетов продолжительности графитизирующей термической обработки tK. Необходимые для практических расчетов значения коэффициентов. приведены

Таблица 27

Результаты обработки экспериментальных данных графитизации высокопрочных чугунов

S–

О. СЛ ф

Н t.

Я S

" S с ё

Я

К

S

S <j

*

О

О

"" S

T и о S — о

T

О

T

О

*

I

О

Ч щ О s О я

S °

О.

С* ^

Г

M S S

Го— :ѕ

С

S

S

2,61

1220

10

10

13,836

32,0832

— 11,3347

4,5307

—43,052

2,61

1170

36

15

10,938

42,0809

—9,2266

1,3053

—4,2402

2,61

1120

51

12,5

7,658

28,5410

—4,6709

0,5752

— 1,5392

2,11

1220

15

12,5

14,12

8,0811

7,4626

—3,4989

26,4924

2,11

1170

50

12,5

7,734

10,2329

1,4250

—0,3140

1,0399

2,11

1120

114

15

6,146

5,4645

0,4103

—0,0322

0,0420

1,78

1220

25

12,5

10,938

6,8780

5,0677

— 1,2412

4,5385

1,78

1170

78

10

4,954

0,9738

7,2885

—0,6601

1,0675

1,78

1120

245

10

2,795

36,6201

1,1448

—0,0512

0,0304

В табл. 27. Найдены они способом наименьших квадратов. При этом в качестве исходных данных принимались дилатометриче­ские кривые отжига тонких (2Xi — 0,006 м) отливок из обычных чугунов.

Анализ показал, что расчетные значения ближе всего к экспериментальным при b — 0,5, что и следует учитывать в рас­четах. Коэффициент Ku в табл. 27 определяли по формуле

К _ 4,375/ур

Л" ~ ,0,5 ‘ ‘к

Здесь ггр — радиус максимального в плоскости шлифа графитного включения. Текущее значение радиуса аустенитного дворика г (t) связано с радиусом графитного включения ггр равенством г (t) = 2,5ггр.

Выявление конкретных числовых значений – N3, а также «0, mi и tm, определяющих скорость возникновения центров кристал­лизации на мало активных подложках, свидетельствует о том, что графитизация осуществляется как на затравках, так и на новых центрах, возникающих по ходу процесса.

Технология термической обработки. Для обеспечения неко­торой гомогенизации структуры чугуна практически длительность высокотемпературного отжига в 1,5—2 раза превышает длитель­ность собственно процесса графитизации.

После высокотемпературного графитизирующего отжига, с це­лью получения высоких пластических свойств чугуна с шаровид­ным графитом, чаще всего проводят вторую стадию отжига, заклю­чающуюся в выдержке- тонкостенных отливок при 950—-1030 К в течение 1,5—2 ч с охлаждением на воздухе или в воде (последнее для быстрого прохождения интервала отпуской хрупкости). В результате двухстадийного отжига в структуре отливок содер­жится не менее 90% феррита. Достижение 100% феррита, как правило, требует значительного увеличения общего времени выдержки отливок, особенно при наличии в чугуне небольшого количества хрома. При этом пластические характеристики чугуна повышаются незначительно. •

Нормализацию кокильных отливок из чугуна с шаровидным графитом применяют для получения перлитной структуры металла. Такая структура обеспечивает высокую прочность и износостой­кость деталей. Часто нормализацию проводят путем ускоренного охлаждения отливок (на воздухе) непосредственно после высоко­температурного отжига.

Однако и при отсутствии отбела отливки также подвергают нормализации: нагревают до 1170—1220К и выдерживают при этой температуре от 1 до 3 ч в зависимости от температуры нагрева, структуры, химического состава чугуна и толщины стенок отли­вок, а затем охлаждают на воздухе. Опыт повторной нормализации показывает, что такая термообработка положительно влияет на прочностные, пластические свойства и усталостную прочность чугуна.

Практически для всех кокильных отливок из чугуна с шаро­видным графитом рекомендуется проводить отпуск для снятия внутренних напряжений. При отпуске выбирают температурные интервалы, в которых исключается возможность структурных превращений и одновременно обеспечивается максимальная ре­лаксация напряжений. Отпуск ведут при 820—920 К. Продолжи­тельность выдержки зависит от сложности конфигурации отливки и от необходимой степени снижения внутренних напряжений. Так, при 770 К за 1 ч выдержки напряжения в отливке средней сложности снижаются примерно на 50%, за 7 ч — на 75%, а за 15 ч — на 79%. При 870 К за 1 ч выдержки напряжения могут снизиться на 84% и за 7 ч — на 96%.

Описанные режимы термической обработки позволяют полу­чать в кокилях отливки из чугунов марок ВЧ 45—5, ВЧ 50—2, ВЧ 60—2 и ВЧ 70—3 (чугун последней марки достигается обычно при повторной нормализации).

Сочетание особо высоких механических свойств кокильных отливок из высокопрочного чугуна с высокой пластичностью достигается при изотермической закалке с температуры аустенит – ного либо аустенито-ферритного состояния. Нагрев перед закал­кой должен производиться до IlOOK (кремний повышает и расши­ряет область существования одновременно а – и у-фаз); выдержка отливок при этой температуре составляет 2,0—2,5 ч; охлаждение осуществляется в жидких средах при 600—620 К-

После изотермической закалки образуется троосто-ферритная металлическая основа и значения сгв повышаются до 90 кгс/мм2 при относительно низкой твердости (HB 229—277) и хорошей обрабатываемости. Наиболее высокие показатели прочности (до 125 кгс/мм2 при твердости HB 363—402) можно получить, про­водя изотермическую закалку тонкостенных отливок с темпера­туры 1170—1190 К в жидкой среде с температурой 570—590 К.

5. виды брака и способы его предупреждения

Для отливок из чугуна с шаровидным графитом, получаемых в кокилях с тонкослойным покрытием, характерны те же виды брака, что и для отливок из серого чугуна (см. параграф 6 гл. XI). В то же время ряд дефектов характерен только для отливок из высокопрочного чугуна. Прежде всего следует указать на черные пятна. Задача борьбы с черными пятнами в виде окисных плен относится к числу наиболее важных. Установлено [158], что такие включения, занимающие] 12,0—2,5% площади сечения образцов, снижают прочностные свойства чугуна на 20, а пластические — на 50%.

Описанный в параграфе 1 настоящей главы механизм возник­новения плен подсказывает необходимость защиты жидкого чу­гуна от окисления непосредственно в форме. Такая защита исклю­чительно эффективна и надежно осуществляется легко растворяю­щим окислы магния и другие неметаллические соединения крио­литом. Его рекомендуется вводить в форму в количестве 0,01— 0,05% от массы расплава.

Положительное действие криолита, кроме способности его растворять окислы, объясняется еще и тем, что он разлагается на фториды алюминия и натрия:

Na3AlF6 3NaF + AlF3.

Газообразный фторид алюминия вытесняет воздух из формы и уменьшает окислительный потенциал газовой среды. NaF из-за меньшей в термодинамическом отношении устойчивости по сравне­нию с солями магния приводит к обеднению поверхности чугуна магнием и этим уменьшает его склонность к окислению.

Что же касается неметаллических включений в виде графита, то меры борьбы с ними описаны в параграфе 1 настоящей главы.

ЛИТЬЕ КОВКОГО ЧУГУНА

1. особенности и возможности процесса

Белый чугун, являющийся исходным материалом для получе­ния ковкого чугуна, имеет худшие, по сравнению с серым чугуном, литейные свойства, более низкую жидкотекучесть, большую, при­мерно в 2 раза, линейную (см. табл. 21) и объемную усадку, по­вышенную склонность к образованию трещин. Это и определяет особенности и трудности литья ковкого чугуна в кокиль.

Своеобразие процесса получения ковкого чугуна обусловило преимущественное его использование для тонкостенных отливок сложной конфигурации, порой даже ажурных, незначительной массы. Большую часть таких конструкций относят к нетехнологич­ным для условий литья в кокиль. С увеличением скорости затверде­вания таких отливок, что неизбежно с применением кокилей, ста­новится более вероятным появление недоливов и трещин. Ковкий чугун заливают в форму при более высокой температуре, чем серый чугун, что вызывает дополнительные заботы литейщиков о стой­кости кокилей. Все сказанное относится к отрицательным факто­рам, затрудняющим применение кокилей для ковкого чугуна.

Литье в кокиль ковкого чугуна имеет и ряд достоинств. Как известно, непременным условием изготовления качествен­ных отливок из ковкого чугуна является отсутствие в его литой структуре свободного углерода. Этим, в основном, и обу­словлена необходимость низкого содержания в металле элемен – тов-графитизаторов (С и Si), а также небольшой толщины стенок отливок. Так как затвердевание отливки в кокиле идет значительно быстрее, чем в песчаной форме, при литье в кокиль менее вероятно появление графита в литой структуре чугуна, что позволяет изго­товлять из ковкого чугуна более массивные отливки и повышать содержание в металле суммы углерода и кремния [179]. Послед­нее благоприятно сказывается нетолько на литейных свойствах чугуна, но и позволяет применить специальные добавки, упро­щающие его графитизирующий отжиг и улучшающие механиче­ские свойства. Все это расширяет номенклатуру отливок, которые целесообразно изготовлять из ковкого чугуна. Измельчение струк­туры белого чугуна при литье в кокиль способствует сокращению продолжительности отжига и повышению свойств ковкого чугуна.

В допустимых случаях при литье в кокиль можно получить специальные отливки со структурой ковкого чугуна на поверх­ности и серого — в средней части (рис. 111). Технологический процесс производства таких отливок проще, чем из обычного ков­кого чугуна, и, в то же время, поверхностные слои деталей обла­дают повышенными плотностью, прочностью, износостойкостью. Подобные отливки можно использовать для ряда деталей машин,

К центру отливки

Рис. 111, Схема расположения структур чугуна в отожженных отливках, имевших отбел:

А — наружный слой (ковкий чугун); б—промежу­точный участок (серый чугун с феррито-графитной эвтектикой); fi — внутренняя область (серый чугун)

А также в качестве заготовок для коки­лей с литой рабочей поверхностью. Они имеют повышенную прочность при тер­мической усталости и в меньшей сте­пени, чем серые чугуны, подвержены разрушению из-за газовой коррозии и т. п.

Из приведенных в табл. 28 данных [70] видно, что при использовании чугуна [одного и того же состава ме­талл отливок, полученных в кокилях, имеет более высокие свойства, чем при литье в песчаные формы (отливки от­жигали по одинаковому режиму).

X

«

В г

Опыт некоторых зарубежных заво­дов [172, 185] показывает, что литье ковкого чугуна в кокиль может быть осуществлено с достаточно большой эффективностью. В Чехословакии, на­пример, отливают детали типа фланцев габаритных размеров 210×130 мм в водоохлаждаемых кокилях. При этом уже после 30 заливок экономически оправдываются затраты на кокиль, отходы снижаются с 46 до 15%. Замет­но сокращается цикл отжига вследствие повышения степени эвтектичности чу­гуна. Однако следует помнить, что

Cf S

Ч

Та H

Я

Я >>

=s s ж

Г

‘s

X

Л

<3

HB

X

О

X

И

«5.Ю tv —

I Литье

" 1 X

Ю о

СО ¦Ч’

Щ 3

HB

§5

CtJ Cr

8 3

S S

О.

M о

«г?

Со ст

QJ

Л

Eh

A

Ъ « =

О и с – X

О

Со со

СЛ

,17—0,20 ,17—0,20

О о

А

0,07 0,07

-0,83 -0,73

S

0,58- 0,42-

CO

OO СО

—<

СЛ

I I

Ст

И

Со ст

I I

О ю CT ч CT

Марка чугуна

КЧ 30-6 КЧ 33-8

Литье ковкого чугуна в кокиль экономически целесообразно только при – высоком уровне механизации процесса, так как в настоящее время отливки из ковкого чугуна изготовляют в обычных песчаных формах в цехах массового высокомеханизи­рованного производства с высокой технологической культурой (на автомобильных заводах, заводах сельхозмашиностроения и др.).

2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОТЛИВОК

Особенности свойств ковкого чугуна не всегда позволяют ис­пользовать кокили для получения отливок, предназначенных для литья в песчаные формы. Только в редких случаях такие отливки оказываются технологичными для нового процесса. Лишь для наи­более простых и массивных из них можно успешно применить кокили. Во всех других случаях при переходе с литья в песчаные формы на литье в кокили необходимо создавать более технологич­ные конструкции отливок, приспосабливая их к условиям литья в кокиль. При этом следует учитывать рекомендации параграфа 1 гл. VIII наряду с известными положениями создания техноло­гичных литых конструкций из ковкого чугуна для литья в песча­ную форму.

Прежде Всего задача заключается в создании податливой, не склонной к образованию трещин литой конструкции. Для этого между элементами отливки необходимо делать плавные переходы, устраивать в них упрочняющие ребра и избегать разностенность. Учитывая пониженную жидкотекучесть белого чугуна, для пре­дупреждения недоливов и неспаев в отливках следует избегать в конструкциях очень тонких элементов, особенно большой про­тяженности и с развитой поверхностью. Более того, утолщенные отливки для литья в кокили являются более приемлемыми, чем для литья в песчаные формы, так как в первом случае возникает меньшая опасность выделения свободного графита. При литье в кокиль более массивных отливок не только улучшается запол – няемость форм жидким металлом, но и увеличивается трещино­устойчивость отливок.

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Особенности устройства литниково-питающих систем для отли­вок из ковкого чугуна — короткие литниковые каналы и питаю­щие бобышки — объясняются повышенной (в сравнении с серым чугуном) усадкой и пониженной жидкотекучестью расплава. Их принципиальная схема при литье в кокиль такова же, как при литье в песчаные формы. Одинаковой остается и методика расчета элементов литниково-питающих систем. Однако особенности литья в кокиль позволяют, а иногда и требуют принятия новых рацио-

9 п/р А. И. Вейника нальных решений. Такие решения должны основываться на осо­бенностях формирования отливок в кокиле. Существо этих реше­ний в следующем: использование питателей с увеличенным попе­речным сечением; обеспечение направленного затвердевания путем тепловой изоляции питающих бобышек; уменьшение размеров бобышек вследствие повышения в чугуне содержания углерода и кремния; применение литниковых систем без элементов щлако – улавливания; исключение в особых случаях (при горизонтальном расположении отливок в кокиле и небольшой массе питаемых уз­лов) питающих бобышек и организация питания за счет утолщен­ного стояка.

Так как при литье в кокиль отпадает необходимость устройства шлакоуловителей, стояк в форме можно устанавливать непосред­ственно над бобышкой. Ввиду большой скорости кристаллизации металла в кокиле необходимо обеспечивать утепление питающей бобышки и питателей. С этой целью используют облицовку их ра­бочих полостей; особенно целесообразны многократно используе­мые облицовки.

С успехом применяют песчаные стержни-вставки, в которых выполняется литниковая система. При горизонтальном разъеме кокиля в песчаной вставке располагается вся литниковая система (рис. 112, а); вертикальный разъем позволяет ограничиваться стержнем, в котором размещается только бобышка и питатели (рис. 112,6). В последнем случае металл может быть подведен сверху или сбоку бобышки. Следует иметь в виду, что вертикальное расположение отливки в кокиле обусловливает необходимость обязательного устройства питающих бобышек.

Рис.113. Кокиль для пустотелой гайки из ковкого чугуна:

1 — кокиль; 2 — песчаный стер­жень; 3 — дождевые питатели

S)

Рис. 112. Литниково-пнтающие системы при гори­зонтальном (а)и вертикальном(б)разъемах кокиля: 1,2 — половинки кокиля; 3 — стержень-вставка; 4 — литейные полости

А)

В некоторых случаях целесообразно отступать от традицион­ной схемы литниковой системы для лучшего питания отливки. Так, например, в работе [70] опи­сан процесс литья пустотелой гайки в кокиль, в котором металл подво-

Режим отжига и управление структурой

Дился из прибыльной полости через дождевые питатели (рис. 113)’. Форма имеет вертикальный разъем.

4. РЕЖИМ ОТЖИГА И УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ

Термическая обработка отливок из белого чугуна для получе­ния ковкого чугуна состоит в графитизирующем отжиге. Литье в кокили не вносит принципиальных изменений в режим отжига, но позволяет внести некоторую рационализацию последнего. Так как при литье в кокиль создаются благоприятные условия для ускорения процесса графитизации, представляется воз­можность сократить продолжительность отжига и изменить его температуру.

В свете общих положений теории кристаллизации сплавов, изложенной в гл. III, и основ теории графитизирующего отжига чугуна, приведенной в гл. XII, ясно, что в металле кокильных отливок из ковкого чугуна наблюдаются более мелкие карбиды (рис. 114), а процесс графитизации ускоряется. Облегчению распада цементита способствует повышенное содержание в ме­талле кремния; с увеличением последнего уменьшаются размеры dmax и увеличивается количество п выделений углерода отжига (рис. 115). Однако необходимость получения в отливках структуры белого чугуна вынуждает при литье в песчаные формы использо­вать металл с уменьшенным количеством углерода (2,2—2,9%) и кремния (до 1,3%). Более того, в отливках со стенками толщи­ной свыше 15 мм почти невозможно получить сквозной отбел даже при очень низкой сумме углерода и кремния. При литье в кокиль отливок 1CO стенками толщиной до 15 мм содержание углерода может быть повышено до 3% и кремния до 4%.

259

MKM

Рис. 114. Влияние скорости охлаждения на величину карбидов т белого чугуна

О 5 10 15 20 25 30

И град/мин

Рис. 115. Зависимость размера ^max и коли­чества п графитных включений от отноше­ния С: Si при С = 2,4-1-2,6%

Ц

П 10 8 6

Кокильное литье, обеспечивая большую степень переохлажде­ния сплава при кристаллизации, позволяет без опасности образо­вания отсера в [отливках вводить в металл графитизирующие модификаторы, которые резко увеличивают метастабильность цементита и ускоряют процесс графитизации при отжиге.

В связи с этим расширяются возможности использования легирования и микролегирова­ния с целью управления струк­турой. Так, увеличенное коли­чество модификаторов, вво­димых в металл, позволяет использовать сурьму для устра­нения ферритной оторочки во­круг зерен графита [178]. Оказывается возможным уве­личить содержание хрома [186] и улучшить механические свой­ства ковкого чугуна. Влияние хрома наглядно видно из дан­ных, приведенных в табл. 29.

5. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Одной из причин, сдерживающих распространение литья ков­кого чугуна в кокиль, следует считать необходимость выдерживать ряд технологических параметров в весьма узких пределах. Изме­нение некоторых параметров (начальной температуры кокиля, химического состава чугуна, выдержки отливки в кокиле, харак­тера покрытия кокилей и др.), оказывая благоприятное влияние на предупреждение одного вида брака, создают одновременно усло­вия для появления другого вида брака. Например, повышение Т%а положительно сказывается на предупреждении трещин и недоли­вов в отливках, но способствует графитизации при затвердевании. Такое же влияние оказывает и усиление теплоизолирующего действия покрытия. Поэтому технолог должен хорошо представлять причины каждого вида брака, чтобы в конкретных условиях находить оптимальные решения.

При литье ковкого чугуна в кокиль наиболее распространен­ными видами брака отливок являются горячие и холодные трещины, несоответствие требованиям литой структуры, недоливы, неспаи, усадочные раковины и пористость.

Влияние хрома на механические свойства ковкого чугуна

Cr, %

(X, кгс/мм2

О

6, %

0,15 0,15—0,20 0,20—0,35

35—40 40—50 50—70

10—15 8—12 5—10

Трещины возникают, как правило, из-за стесненной усадки и неравномерного затвердевания разных узлов отливки. Чем боль­шая поверхность отливки формируется металлической частью кокиля, тем легче управлять структурообразованием белого чу­гуна. Наличие частей формы с разной теплоаккумулирующей спо­собностью сужает пределы химического состава металла, что соз­дает трудности производства. С этой точки зрения применение металлических стержней взамен песчаных весьма целесообразно, но оно связано с большей вероятностью образования трещин в отливках. Предупредить этот дефект можно окрашиванием

Рис. 116. Влияние температуры отливки на коэффициент f трения f при покрытии кокиля машинным маслом (/), ацетиленовой копотью(2) и смесью маршалита, жидкого стекла и воды (3)

TOC \o "1-3" \h \z стержней, своевременным извлечением их г^/Ли

Из отливки. ?/ \\

При литье ковкого чугуна не всегда ‘ \

Возможно предупредить трещины отливок \

Утолщением слоя краски, большое значение о, оь – *

имеет трение между отливкой и коки – wo wo ш 1Ш к лями. В работе [35] исследовалось влия­ние вида покрытия на коэффициент трения между отливкой и кокилем (металлическим стержнем). Доказано, что самый высокий коэффициент трения дает краска на маршалите, жидком стекле и воде (рис. 116, кривая 3). Чем более шероховато и прочнее по­крытие, тем лучше оно предупреждает трещины отливок, так как уменьшает концентрацию деформации в тепловых узлах (см. гл. IV.)

Уменьшению трещин способствуют подогрев кокиля, увели­чение выдержки в нем отливки. Так, например, в работе [70] указывается, что брак отливок по трещинам составлял 76% и лишь увеличение выдержки их в кокиле с 20—30 с до 10 мин позволило сократить брак до 10%. Уменьшается опасность образо­вания трещин также при увеличении степени эвтектичности чугуна.

Недоливы и неспаи обусловлены медленной заливкой и недо­статочным нагревом кокиля, низкой температурой заливки и не­благоприятным химическим составом чугуна. Для предупрежде­ния этого вида брака целесообразно прежде всего применять меры, которые не могут повлиять на увеличение других видов брака. Главная из них — очистка чугунов от вредных примесей, перегрев его и ускоренная заливка. Повышение степени эвтектичности чугуна может привести к улучшению жидкотекучести и предупре­ждению недоливов, но оно связано с опасностью графитизации чугуна во время кристаллизации, что обязательно следует учи­тывать. Эффективную меру предупреждения недоливов — повы­шение T2h — следует использовать, с учетом влияния ее на гра – фитизацию чугуна при кристаллизации.

Усадочные раковины и пористость целесообразнее предупре­ждать совершенствованием устройства литниково-питающей си­стемы, изменением теплового состояния отдельных частей кокиля (например, локальным охлаждением или обогревом) и в последнюю очередь — изменением химического состава металла.

Газовые раковины в отливках из ковкого чугуна имеют ту же природу, что и газовые раковины в отливках из серого чугуна, следовательно, и меры их предупреждения одинаковы: очистка кокилей, подбор качественных покрытий, хорошая просушка покрытий, вентиляция кокилей. Механизм образования газовых раковин при литье чугуна рассмотрен в гл. XI.