книги / Технология металлов

Вкачестве газового топлива используют природный газ раз­ личных месторождений, генераторный, коксовый и доменный газы.

Вкачестве жидкого топлива в плазильных и нагревательных печах в основном используют мазут.

Флюсы

Во время плавки чугуна, стали и сплавов цветных металловдля получения отливок применяют различные флюсующиеся ма­

териалы, необходимые для образования шлаков нужной вязкости и химической активности.

Шлаки во время плавки образуются за счет золы топлива, окислов (вносимых с шихтовыми материалами и образующихся при окислении примесей в металле), материала футеровки печи и самих флюсов. Флюсы понижают температуру плавления шла­ кообразующих материалов и вязкость шлаков Шлаки в свою очередь предохраняют металл от окисления кислородом воздуха и кислородом, входящим в состав газов, поглощают из металла окислы, вредные примеси и газы. Чем меньше вязкость шлака и выше его химическая активность, тем лучше качество получавмсго металла. В зависимости от огнеупорного материала, при­ меняющегося для футеровки плавильной печи и состава флюса, шлаки получаются с основными или кислыми свойствами.

Степенью основности шлака называют отношение суммы ос­ новных окислов к сумме кислотных окислов В шлаке

Основность определяется отношением,'% 4

СаО 4 - МдО

Si02 + А120 3 ‘

Основные шлаки поглощают из металла серу и фосфор, а кис­ лые — окислы железа и других металлов.

В качестве флюсов при плавке чугуна применяют известняк, доломитизированный известняк, плавиковый шпат и основной мартеновский шлак.

И з в е с т н я к по химическому составу в основном представ­ ляет собой карбонат кальция СаС03. Известняк содержит 49— 52% СаО; 1 ,6 —4,0% Si02; 2—3% А120 3 + Fe2 0 3.

Не рекомендуется применять известняк, содержащий балласт

составу представляет собой карбонат кальция с примесью кар­ боната магния, в зависимости от содержания фосфора. Сырые доломитизированные известняки делятся на обычные и малофос­ фористые.

Обычный доломитизированный известняк, согласно ТУ 892 1948 г., должен содержать 35—40% СаО, не менее 10% MgO, не более 1,6% Si02, 0 ,0 1 % Р' и 2 % нерастворенного остатка, включая и содержание Si02. В малофосфористом известняке со­ держание фосфора должно быть не более 0,005%, а остальных компонентов — в тех же пределах, как и в обычном доломитизированном известняке.

Доломит сырой — это карбонат магния с примесью карбоната

сталлического строения, содержащий CaF2 и Si02; в следующих количествах: для первого сорта не менее 92% CaF2 и не более 5% Si02; для второго сорта не менее 85% CaF2 (содержание Si0 2 не нормируется) и для третьего сорта не менее 75% CaF2 и не более 20% Si02. Плавиковый шпат в состав флюсующих вводят для понижения температуры плавления шлака и уменьшения его вязкости.

О с н о в н о й м а р т е н о в с к и й шл а к является отходом сталелитейного производства и употребляется следующего соста­ ва: не более 25% Si02, не менее 40% CaO + MgO, не менее 20% FeO + MnO, не более 2% Р2 О5 и не более 1 % CaS.

При плавке стали применяют в качестве флюсов известняк или продукт обжига — известь, плавиковый шпат, боксит и ша­ мотный бой. Боксит и шамотный бой применяют для увеличения концентрации А120 3 в шлаках с целью понижения вязкости.

При плавке сплавов цветных металлов на основе меди, алю­ миния и магния © качестве флюсов используют бой стекла, мор­ скую соль, гипс, хлористые и фтористые соли.

4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНА

Чугун является самым распространенным материалом для изготовления отливок. Высокие литейные свойства чугуна и его дешевизна, малая чувствительность к надрезам, высокая цикли­ ческая вязкость, относительно высокое сопротивление износу и коррозии, высокий предел прочности и хорошие антифрикцион­ ные свойства, способствуют широкому применению отливок из чугуна в машиностроении, в металлургии, на транспорте и в дру­ гих областях народного хозяйства. Например, в станкостроении до 80% веса деталей отливают из чугуна. В автомобилях, трак­ торах, в сельскохозяйственном машиностроении вес чугунных деталей составляет примерно 60% от веса этих машин. Все в ос­ новном отопительное и санитарно-техническое оборудование (ра­ диаторы, котлы, ванны, трубы и т. д.) изготовляют из чугуна. В металлургической промышленности применяют большое ко­ личество разнообразных чугунных отливок: изложницы, утепли­ тельные надставки, центровые литники, поддоны, прокатные вал­ ки, шестеренные клети прокатных станов, соединительные муф­ ты, для загрузки шихты в мартеновские печи и для разливочных машин, холодильники для доменных печей, амбразуры для шла­ ковых фурм, рамы, двери коксовых печей, корпуса воздушных и газовых клапанов, колосники для обжига руд и т. п.

По своему качеству чугунное литье *в последние годы стало заменять стальное литье, поковки (кулачковые и коленчатые ва­ лы тепловозов, дизелей, автомашин, тракторов) и даже в отдель­ ных случаях отливки из сплавов цветных металлов на основе меди.

Влияние химического состава на структуру и свойства чугунных отливок

Входящие в состав чугуна углерод, кремний, марганец, сера* фосфор и легирующие элементы (никель, хром, титан, медь, молибден и др.) оказывают влияние на его структуру и свойства отливок.

У г л е р о д в чугунных отливках может находиться в виде свободного углерода графита и © виде химического соедине­ ния с железом Fe3C, называемого карбидом железа или цемен­ титом. Чем больше углерода в чугуне, тем больше выделяется графита. Графит в сером чугуне располагается в форме пласти­ нок, которые разъединяют основную металлическую массу и по­ нижают прочность чугуна. Чем меньше углерода и более мелкие по величине пластинки его, тем выше механические свойства чугуна, но в то же время углерод улучшает его литейные свой­ ства.

При изготовлении отливок содержание углерода колеблется

в значительных пределах: в обычном сером чугуне— от 3,2 до 3,9%, в ковком — от 2,4 до 3%, в малоуглеродистом оно снижа­ ется до 2,7 %.

Процесс выделения графита из цементита «во время затверде­ вания и охлаждения отливки сопровождается увеличением объе­ ма, что понижает усадку чугуна.

Кремний в чугуне способствует распаду цементита и образо­ ванию графита, т. е. является графитизатором. С железом крем­ ний образует устойчивое химическое соединение FeS. Изменяя содержание кремния в чугуне, можно регулировать соотношение между связанным углеродом и графитом. Кремний повышает жидкотекучесть чугуна и уменьшает его усадку. В обычном се­ ром чугуне содержание кремния колеблется от 1,8 до 3%, IB ма­ лоуглеродистом— от 1 , 6 до 2 ,2 %, в ковком — от 0 , 8 до 1 ,3 %,

вкремнистом ковком чугуне — от 1 , 0 до 1,9%.

Ма р г а н е ц увеличивает устойчивость карбидов железа, сам образует карбид Мп3С и этим самым препятствует графитизации чугуна. Он нейтрализует сильное влияние серы на уменьшение жидкотекучее™ чугуна, образуя сульфид марганца MnS, кото­

рый переходит в шлак. Содержание марганца в отливках из се­ рого чугуна колеблется от 0,5 до 1,2%, в отливках из ковкого чугуна — от 0,5 до 0,6%.

С е р а в чугуне образует сернистое железо FeS, которое растворяется в нем в неограниченном количестве. Сернистое же­ лезо образует с железом легкоплавкое соединение Fe • FeS с тем­ пературой плавления 985° С. Это соединение при затвердевании отливки кристаллизуется последним по границам кристаллов и снижает механические свойства чугуна, вызывая краснолом­ кость. Сера препятствует графитизации, понижает жидкотеку­ честь чугуна, увеличивает усадку, повышает твердость и хруп­ кость чугуна в холодном состоянии. Предельно допустимое со­ держание серы в чугуне 0,12—0,15%.

Фо с ф о р в чугуне при содержании до 0,3% находится в рас­ творе. При избытке фосфора образуется двойная и тройная фосфидная эвтектика (Fe + Fe3P и Fe + FeP + Fe3 C) с температурой плавления около 950° С. Фосфидная эвтектика обладает большой твердостью. При содержании фосфора до 0,7% она выделяется в виде отдельных включений, при большем содержании — в виде сплошной сетки по границам кристаллов и увеличивает хруп­ кость (хладноломкость) чугуна. Фосфор способствует графити­ зации и увеличивает жидкотекучесть чугуна. Содержание фосфо­

стенном и художественном литье.

Хр о м уменьшает графитизацию и жидкотекучесть и увели­ чивает твердость чугуна. В то же время он повышает его меха-

лические свойства, износостойкость, жаростойкость и коррозион­ ную стойкость.

Н и к е л ь и ме дь способствуют графитизации чугуна, улуч­ шают его структуру в отливках. Их обычно применяют в качестве добавок в чугун с другими легирующими элементами (Сг, Ti

идр.).

Ти т а н является слабым графитизатором и сильным раскис-

лителем. Связывает азот, образуя нитриды, и способствует полу­ чению плотного строения отливок.

А л ю м и н и й при содержании до 0,Г% действует как силь­ ный графитизатор. При высоком содержании алюминия (7—9%) чугун приобретает жаростойкость.

М а г н и й уменьшает графитизацию чугуна, является силь­ ным раскислителем и обессеривателем (десульфуратором). По­ добно церию, магний используют для получения высокопрочного чугуна со сфероидальной формой графита.

К а л ь ц и й в виде сплава с кремнием (силикокальций) при­ меняют как модификатор чугуна, способствующий графитизации, раскислению и образованию мелких структур в отливках.

Виды и классификация чугуна

Существует несколько видов и классификаций чугуна. В ли­ тейном производстве принята следующая классификация.

1. По цвету излома:

а) чугун белый, в котором углерод находится в химически свя­ занном состоянии;

б) чугун половинчатый, в котором присутствуют графит и цементит;

в) чугун серый, содержащий графит.

2.По химическому составу различают чугуны нелегированные

илегированные.

Внелегированных чугунах допускают следующие содержа­

ния элементов: 2,5—3,8% С, 0,6—4,0%Si, 0,5—2,0% Мп; 0,07— 1,2% Р и 0,02—0,15 % S.

Легированными чугунами называют такие, которые, кроме постоянных примесей, содержат легирующие элементы (хром, никель, титан, медь и др.) или кремний и марганец в более вы­ соких пределах, чем в обыкновенном чугуне.

3. По структуре и форме графита чугуны подразделяют на белые, половинчатые, серые с пластинчатым графитом, высоко­ прочные с шаровидным графитом и ковкие.

П о л о в и н ч а т ы й ч у г у н является малографитизированным, углерод в нем находится частично в виде пластинчатого графита и в составе первичного и вторичного цементита.

© чугуне понижает его вязкость, как бы разобщая основную ме­ таллическую массу. Разобщение происходит вследствие графи­ товых включений и разницы в объемной усадке металлической массы и графита. В результате действия этих факторов относи­ тельное удлинение серого чугуна составляет менее 0,5% при на­ личии низкой ударной вязкости.

В ы с о к о п р о ч н ы й ч уг ун (ВЧ) с ш а р о в и д н о й ф о р ­ мой г р а фи т а . Высокопрочный чугун имеет такую же метал­ лическую основу, как и серый чугун с той лишь разницей, что перлит и феррит в высокопрочном чугуне имеет мелкокристалли­ ческое строение, а в перлитном чугуне феррит располагается вок­ руг зерен графита. Графитовые выделения в чугуне имеют округ­ ленную форму, которая меньше ослабляет связь в металлической массе, чем любая другая форма графита. Поэтому высокопроч­ ный чугун обладает более высокой прочностью и большей вяз­ костью, чем серый чугун. Путем легирования и термической обра­ ботки высокопрочного чугуна можно получить аустенитную, мар­

шенной вязкостью, являясь как бы промежуточным материалом между серым чугуном и сталью. В его составе содержится угле­ род отжига, который имеет хлопьевидную или округленную фор­ му. Хлопьевидный графит получают различной компактности. Чем дисперснее графит, тем выше механические свойства чугу­ на. Металлическая основа ковкого чугуна в зависимости от его химического состава и режима термической обработки бывает ферритная, перлитная или феррито-перлитная. Чугун с феррит­ ной металлической основой обладает большей пластичностью.

По служебным свойствам различают следующие чугуны: а) белый и половинчатый;

б) серый обыкновенный; малоуглеродистый, выплавленный с до­ бавкой стали в шихту; обыкновенный модифицированный; мо­ дифицированный высокопрочный; фосфористый, содержащий бо­ лее 0,5%Р.

в) легированный; г) ковкий, получаемый из белого чугуна путем отжига в ней­

тральной или окислительной среде.

Отливки из белого и половинчатого чугуна

Из белого или половинчатого чугуна получают отливки, пред­ назначенные для работы в условиях усиленного износа. К таким отливкам относятся валки для прокатных станов и бумажной промышленности, мукомольные валки, мелющие тела (шары,

Чугун получают марок С400, С412-28; С415-32. Из обыкновенного и серого чугуна отливают различные строительные от­ ливки: отопительные радиаторы, ванны, трубы, фасонные части, колонны и т. п., а также не ответственные машиностроительные отливки в виде корпусных деталей.

М а л о у г л е р о д и с т ы й ч у г у н для отливок получают из металлической шихты следующего состава, %:

.автотракторное, станочное I класса и компрессорное литье, круп­ ные шкивы, маховики, водопроводную и паропроводную армату­ ру, вентили, задвижки и т. п.

О т л и в к и из м о д и ф и ц и р о в а н н о г о чугуна . Моди­ фицированию подвергают такой чугун, из которого бы в немодифицированном состоянии получили отливки с цементитно-перлит- кой структурой, т. е. с белым изломом. Процесс модифицирова­ ния заключается в том, что в жидкий чугун во время выпуска из печи в ковш вводится модификатор. В качестве модификаторов применяют электрометаллургический ферросилиций, содержа­ щий 75% Si, или силикокальций и другие модификаторы в пре­ делах 0,1—0,8% от веса чугуна.

Для получения модифицированного чугуна применяют шихту следующего состава, ’%:

Модифицированный чугун имеет мелкозернистую перлитную структуру с мелкопластинчатым или зернистым графитом, рав­ номерно распределенным по сечению стенки отливки.

Марки модифицированного чугуна, механические свойства его и его применение приведены в табл. 27,