Каким способом получают высокопрочный чугун

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Получение — высокопрочный чугун

Получение высокопрочного чугуна состоит в том, что расплавленный серый чугун подвергается модифицированию и ферросилицием, и магнием. В результате такого двойного модифицирования графит в структуре высокопрочного чугуна выделяется в виде шаровых комочков ( фиг. Существенно то, что такая форма графита получается в высокопрочном чугуне непосредственно в процессе литья, тогда как для получения ее в структуре ковкого чугуна требуется длительный отжиг. Поэтому высокопрочный чугун значительно дешевле ковкого. [1]

Для получения высокопрочного чугуна с основой из тонкопластинчатого или даже сорбитообразного перлита чаще всего легируют чугун хромом и никелем, которые, как известно, способствуют образованию высокодисперсных эвтектоидов. [2]

Для получения высокопрочного чугуна с преимущественно ферритовой структурой; необходимо снижение содержания марганца до 0 4 % и фосфора до 0 1 % в исходном чугуне. [3]

Для получения высокопрочного чугуна в специальной камере в перегретый до 1400 — 1500 С жидкий серый чугун в ковше вводят 0 5 — 1 0 % Mg и 0 5 — 1 0 % ферросилиция. [4]

Существует несколько способов получения высокопрочных чугунов . [5]

В последнее время разработан метод получения нового, высокопрочного чугуна с округлым графитом. Перед разливкой жидкий чугун подвергается модифицированию магнием. В результате такого модифицирования чугун по структуре графита и по механическим свойствам превосходит не только серый, но и ковкий чугун. [6]

В последние годы церий применяют для получения высокопрочного чугуна . При производстве ковкого чугуна церий наряду со сфероидизацией графита повышает ударную вязкость. [7]

Магниевые и цериевые лигатуры разнообразного состава [19] применяют для модифицирования при получении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. [9]

Замена ковкого чугуна этим новым материалом дает возможность резко сократить цикл отжига, и в связи с доступностью получения высокопрочного чугуна практически в любом литейном цехе расширяется область применения отливок со свойствами, присущими ковкому чугуну. [10]

К числу наиболее прогрессивных технологических литейных процессов, разработанных и внедренных в Советском Союзе в годы первых индустриальных пятилеток, относится получение высокопрочного чугуна путем модифицирования его 75 % — ным ферросилицием и силикокальцием. Эти работы были успешно проведены на заводе Станколит Г. И. Клецкиным. [11]

В последнее время высокопрочный чугун начинают с успехом использовать для таких ответственных деталей, как коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, задние мосты автомобилей, зубчатые колеса, шатуны и др. Получению высокопрочного чугуна способствует применение в вагранках кислородного дутья. [12]

Модифицированный чугун с пластинчатым графитом получают обработкой жидкого, сравнительно малоуглеродистого чугуна графитизирующими присадками. Получение высокопрочного чугуна с глобулярным графитом связано с обработкой жидкого чугуна, наоборот, с повышенным содержанием углерода и кремния. [13]

Известно, что элементы, увеличивающие отбеливаемость, можно расположить в порядке возрастания эффективности их влияния следующим образом: Mn, Mo, Sn, Cr, V, S, Те. Модификаторы, используемые для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, — магний и церий увеличивают склонность к отбеливанию. [14]

Частички модификаторов, являясь дополнительными центрами кристал лизации, способствуют размельчению графитовых включений и приближению их формы к форме графита ковкого чугуна. Лучшим модификатором является магний, используемый при получении высокопрочных чугунов . [15]

Источник

Как получают высокопрочный чугун

?Модификаторы инокулирующего действия ( ферросилиций, силикокальций, С, Аl, сплавы титана, циркония, некоторых лантаноидов, бария, стронция ) позволяют опустить в чугуне содержание Si и С без появления бледна, размельчают графит, в итоге чего растет количество перлита и улучшаются механические свойства серого чугуна.
Введение Sn, Pb, Р, Sb, N и других модификаторов способствует получению перлитных серых чугунов.
Введение Bi и повышение содержания S резко отбеливают чугун.
В ковком чугуне некоторые модификаторы связывают такие вредные примеси, подобно азоту ( в виде AIN, BN ) и хром ( в виде атомных сегрегаций типа Sb 2 Cr 3 ).
Некоторые модификаторы ( магний, большинство лантаноидов, иттрий ) при определённой их дозе вызывают выделение графита округлой фигуры, вследствие чего образуется чугун с шаровидным графитом, называемый высокопрочным.
Таковой вид модифицирования существенно увеличивает прочность чугуна и сильно повышает его пластичность и вязкость.
Главные способы модифицирования : на жёлобе печей, в автоклавах, в специальных ковшиках, например герметизированных, вдуванием, введением модификаторов через лигатуры или соли, в литниковых системах литейных формочек.

Высокопрочные чугуны применяют в разных областях техники, эффективно заменяя сталь во многих продуктах и устройствах.
Из них изготовляют оборудование прокатных станов ( прокатные валки массой до 12 т ), кузнечно — прессовое оборудование ( траверса пресса, шабот ковочного молота ), в турбостроении корпус паровой турбины, лопатки направляющего аппарата, в дизеле -, тракторо — и автомобилестроении — коленчатые валы, поршни и ответственные многие другие детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются механические его высокие свойства, обусловленные наличием в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлической основы и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия, благодаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концентраторы напряжений.
Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой крепостью, но и пластичностью.

Чугун с шаровидным графитом применяется также в химическом и нефтяном машиностроении ( трубы, детали насосов и компрессоров, покрышки и кольца буровых машинок, задвижки и арматура крекинговых установок, корпусы автоклавов ), в автотракторной промышленности и сельскохозяйственном машиностроении ( коленчатые и распределительные валы, тормозные барабаны, картеры коробок передач, картеры задних мостиков, ступицы колес, сошники плугов, зубья борон, шестерни сялок, диски лущильников ), в станкостроении ( корпуса токарных патронов, суппорты, резцедержатели, шпиндели, рычажки механизмов зажимов револьверных станков и станков — автоматов, задние бабки токарных и шлифовальных станков, шестерни, шкивы ), для изготовления шахтных и тоннельных тюбингов, изложниц для разливки стали и т.д.

Химический состав высокопрочного чугуна ВЧ 50 ГОСТ 7293 — 85.
: C углерод при толщине стены до 50 мм 3, 3 — 3, 8% ;
C углерод при толщине стены от 50 до 100 мм 3, 0 — 3, 5% ;
C углерод при толщине стены более 100 мм 2, 7 — 3, 2% ;
Si кремний при толщине стены до 50 мм 1, 9 — 2, 9% ;
Si кремний при толщине стены от 50 до 100 мм 1, 2 — 1, 7% ;
Si кремний при толщине стены более 100 мм 0, 5 — 1, 5% ;
Mn марганец 0, 2 — 0, 6% ;
. °?
r хром 0, 1% ;
S менее 0, 02% ;
P фосфор менее 0, 1%.
Механические свойства высокопрочного чугуна ВЧ 50 ГОСТ 7293 — 85 : лимит крепости ( временное сопротивление ) ? в ВЧ 40 = 400 Мпа ;

Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам.
В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие ;
в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления.
Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Графи?т ( от др. — греч.
. — пишу ) — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода.
Структура слоистая.
Ряды кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно товарищ дружка, создавая единый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии ( дигексагонально — дипирамидальный ), до тригональной ( дитригонально — скаленоэдрический ).
Слои слабоволнистые, почти плоские, заключаются из шестиугольных слоёв атомов углерода.
Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые.
Образует листоватые и округлые радиально — лучистые агрегаты, реже — агрегаты концентрически — зонального строения.
У крупнокристаллических выделений часто треугольная штриховка на плоскостях ( 0001 ).

Легированные Ч. Для улучшения прочностных, эксплуатационных свойств или придания Ч. особенных характеристик ( износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д. ) в его состав вводят легирующие элементы ( Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др. ).
Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%.
Легированные Ч. группируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д.
По степени легирования различают низколегированные ( совокупное количество легирующих элементов 10% ).
Низколегированные Ч. имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные — обычно мартенситную, высоколегированные — в большинстве случаев аустенитную или ферритную.

Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений.
В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита : Хорошая электропроводность, и подобно следствию — его пригодность для изготовления электрода Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде — это углекислый газ.
Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не спрашивает особых степеней по его удалению из полосы реакции.
Это свойство значительно упрощает технологию производства алюминия.

Источник

Технология получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Известно, что высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) получают путем модифицирования жидкого чугуна сфероидизирующими модификаторами, содержащими магний, це­рий и иттрий. Чугун, подвергаемый модифицированию, должен удовлетворять ряду приведенных ниже требований, выполнение которых является задачей плавки.

Требования к жидкому чугуну.

Важнейшим требованием к хи­мическому составу жидкого металла при получении высокопроч­ного чугуна с шаровидным графитом является низкое содержание серы — до 0,03%.Т1ри этом снижение содержания серы способ­ствует уменьшению расхода дорогостоящих модификаторов.

Техническими условиями, принятыми на ВАЗе и КамАЗе, до­пускается содержание серы не более 0,012%. Составить шихту с таким низким содержанием серы практически невозможно, по­этому важнейшей задачей плавки является десульфурация. В связи с этим использование для плавки дуговых пеней с основной футе­ровкой в данном случае является оправданным, несмотря на вы­сокое пылегазовыделение и шум.

При наведении основного шлака рекомендуется вводить известь (6 кг/т металла) для снижения избыточного количества серы на 0,001 %. Содержание в чугуне демодификаторов Pb, Bi, Sn, Sb, As, Ti, Al даже в незначительных количествах препятствует сфероидизации графита. С учетом этого требуется тщательный отбор шихто­вых материалов. Не допускается использование лома неизвестного происхождения. Помимо первичных материалов и возврата исполь­зуются стальные отходы кузнечно-прессового производства.

Температура чугуна при модифицировании должна быть выше, чем при модифицировании серого чугуна, 1480. 1530 °С. Это объяс­няется тем, что на испарение магния, введенного в расплав, тре­буется значительное количество теплоты (при введении каждого 1 % Mg температура чугуна снижается на 80. 90 °С).

Сфероидизирующне модификаторы.

Шаровидная форма графита в чугуне достигается использованием модификаторов, содержащих магний, церий и иттрий. Модификаторы на основе маг­ния, в свою очередь, разделяют на металлический магний и магнийсодержащие лигатуры. Металлический магний имеет плотность в 4 раза меньшую, чем расплавленный чугун, поэтому при простом введении его в металл он всплывает и сгорает ослепительно ярким пламенем. При принудительном погружении его в расплав чугуна при температуре 1400 °С магний испаряется и давление его паров может достигать 0,7 МПа. Пары магния, выходя из расплава, вы­зывают интенсивное перемешивание и выбросы металла. Над по­верхностью расплава пары магния сгорают. Обычно в металле оста­ется не более 1/10 количества введенного в него магния.

Для улучшения усвоения магния расплавом используются магнийсодержащие лигатуры, магний—кремний—железо, магний-никель, магний—медь, магний—никель—медь и др. Особенно ши­рокое распространение получили в свое время тяжелые лигатуры содержащие около 85 % никеля. Плотность такой лигатуры выше, чем жидкого чугуна, что в сочетании с относительно низким со­держанием магния предопределяет ее хорошее усвоение и незна­чительный пироэффект.

Однако никель возвращается в шихту в составе возврата и прак­тически не угорает в процессе плавки. Учитывая, что доля возвра­та при производстве ВЧШГ составляет не менее 40%, содержа­ние никеля в металле быстро растет от плавки к плавке, если в шихте используется более 10 % возврата. Это создает организаци­онные трудности, связанные с использованием излишков возвра­та чугуна, модифицированного никель-магниевой лигатурой.

Учитывая отбеливающее действие магния, производят вторич­ное модифицирование ферросилицием ФС75 в количестве от 0,3 до 1 % в зависимости от толщины стенки отливки.

Цериевые модификаторы. Температура кипения церия около 3450 °С, поэтому при вводе его в расплав чугуна не наблюда­ется выбросов металла, и, кроме того, температура расплава мо­жет быть ниже (1390. 1410 °С). Однако для равномерного распреде­ления его необходимо принудительное перемешивание металла.

Церий, так же как и магний, является активным десульфуратором, но в отличие от магния не образует черных пятен в структуре отливок при повышенном содержании серы в исходном чугуне.

Для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графи­том церий применяется в виде многообразных лигатур, таких как ферроцерий, мишметалл, цериевый мишметалл, сиитмиш и другие, содержащие около 50 % Се.

Комплексные модификаторы, разнообразные по со­ставу и свойствам, получили в настоящее время наибольшее рас­пространение. Наряду с магнием, который производит сфероидизирующее действие и перемешивание, в них обычно входит крем­ний, предотвращающий отбел. Церий и кальций в комплексных модификаторах способствуют связыванию избытка серы.

Модификатор ФЦМ5, содержащий 5 % магния, успешно при­менялся при литье коленчатых валов трактора «Владимирец». В модификаторах марок ЖКМК1 . ЖКМК10 помимо железа со­держатся Mg, Са, Si и редкоземельные элементы.

В настоящее время наибольшее применение имеют модифика­торы ФСМг5 и ФСМг6, содержащие соответственно 5 и 6 % Mg и использующиеся как для внутриформенного, так и для ковшово­го модифицирования.

Сфероидизирующие модификаторы в размельченном состоя­нии не подлежат длительному хранению, так как входящие в них элементы легко окисляются.

Иттривые модификаторы не получили до настоящего времени промышленного применения.

Способы введения в расплав сфероидизирующих модификато­ров. Из всего многообразия способов ввода в расплав сфероиди­зирующих модификаторов к настоящему времени получили применение лишь несколько способов, удовлетворяющих условиям техники безопасности и обеспечивающих достаточно высокий ко­эффициент усвоения модификатора. Способ ввода модификатора выбирают с учетом масштабов производства и стоимости приме­няемого оборудования.

Для целей лабораторных и исследовательских работ, а также при небольших объемах производства предпочтителен способ ввода мо­дификатора под колокольчиком в ковше с металлической крыш­кой (рис.1, а).

Рис. 1. Способы ввода в расплав сфероидизирующих модификаторов: а — под колокольчиком; б — в автоклаве; в — в герметизированном ковше-конвертере; 1 — колокольчик; 2 — крышка; 3 — корпус автоклава; 4 — ковш с металлом; 5— мешалка; 6— полость для модификатора; 7— крышка ковша; 8 — модификатор

В шамотографитовый или стальной колокольчик 1 с отверстиями в боковых стенках закладывают бумажный пакет с навеской модификатора. Пакет закрепляют в колокольчике вязаль­ной проволокой. Крышку 2 надевают на штангу колокольчика и устанавливают на ковш. Колокольчик опускают в глубь металла.

При использовании тяжелой никель-магниевой лигатуры ши­роко используется ввод ее под струю в разливочный ковш.

При использовании в качестве модификатора металлического магния наилучшие результаты дает применение автоклава (рис.1, б). В стальной корпус автоклава 3 при снятой крышке устанавливают ковш с металлом 4. В полость 6 крышки закладыва­ют навеску магния и закрывают ее мешалкой 5. Крышку устанав­ливают на корпус автоклава, стык между ними герметизирован. Между крышкой и штоком мешалки также имеется уплотняющая манжета. После подачи воздуха в автоклав под давлением Ρ пнев­матический цилиндр опускает мешалку вниз, при этом модифи­катор падает в металл, который перемешивается в процессе воз­вратно-поступательного движения мешалки.

Широкое распространение получили также герметизированные Ковши, принцип действия которых показан на рис. 1, в. В боко­вую полость ковша закладывают навеску модификатора 8. После заливки металла ковш закрывают крышкой и поворачивают в вер­тикальное положение.

Установлено, что минимальное количество остаточного магния, необходимое для получения шаровидной формы графита в чугуне в любом сечении отливки, должно быть не менее 0,03 %. С учетом ко­эффициента усвоения модификатора количество магния, вводимо­го с модификатором, должно быть около 0,4 %. При использовании комплексных сфероидизирующих модификаторов суммарное содержание в них магния, кальция и редкоземельных элементов должно быть эквивалентно указанному выше содержанию магния.

Расход модификатора зависит от его состава, способа ввода в металл, содержания в металле серы, температуры металла и дру­гих факторов и составляет от 0,15 % для металлического магния, вводимого в автоклаве, до 2,5 % для лигатур при добавлении их в ковш. Необходимое и достаточное количество вводимого модифи­катора уточняется только опытным путем.

Источник:
Трухов А.П., Маляров А.И. Литейные сплавы и плавка. М. Академия, 2004.

Источник