Способы получения серого чугуна

Серый чугун

Серый чугун представляет собой сплав железа и углерода, графит в котором имеет вид хлопьевидных, пластинчатых или волокнистых включений. Такое название данный сплав получил благодаря виду излома, который имеет характерный серый цвет. Своим цветом серый чугун обязан количеству свободного графита – именно он, а не форма графитных включений в сплаве, является цветообразующим.

Существуют разные виды серого чугуна, которые имеют буквенно-цифровое обозначение, где цифры являются показателем предела прочности в кг/мм 2 . Среди них существуют основные: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35, и дополнительные марки серого чугуна: СЧ 18 и СЧ 21. Последние используются для изготовления отливок по требованию потребителя. В отдельную группу марок выделены серые высокопрочные чугуны, в составе которых присутствует графит, имеющий глобулярную форму в результате его модифицирование магнием, царием, а также другими элементами. Данный тип чугуна имеет буквенную маркировку ВЧ, после которой цифрами указывается прочно, а через дефис указывается относительное удлинение в процентах. Например, ВЧ 60 -2.

Получение серого чугуна осуществляется путем восстановительных процессов с использованием углеродного топлива (кокса). Основным и единственным материалом для данного процесса являются железные руды. В процессе получения серого чугуна, происходит не только восстановление окислов железа, но и наполнение сплава свободным углеродом.

Серый чугун. Свойства

В зависимости от процентного содержания свободного углерода в сплаве, серый чугун может обладать теми или иными механическими свойствами. Среди них можно выделить наиболее важные качества, которыми являются его литейность (или жидкотекучесть), а также малая усадка при застывании. Указанные свойства сплава позволяют изготавливать из него отливки сложной формы. Также стоит сказать, что выполненные из серого чугуна детали имеют достаточно высокую устойчивость к воздействию на них внешних концентраторов напряжения при циклических нагрузках, а также обладают высоким коэффициентом поглощения колебаний при вибрациях деталей. Серому чугуну присущи высокие прочностные свойства.

Толщина стенок отливки влияет на временное сопротивление (или предел прочности) серого чугуна. В связи с тем, что данный сплав в своем составе имеет пластинчатые формы графитных включений, то он является хрупким. Это связано с тем, что характерные пластинчатые графитные включения выполняют роль множественных надрезов в чугуне. Серый чугун имеет следующую прочность: 100 МПа для СЧ 10 и 350 МПа для СЧ 35. Не смотря на то, что данный сплав обладает достаточно низкой прочностью на изгиб и высокой хрупкостью, ему присущий достаточно высокий показатель прочности на сжатие.

Благодаря своей износостойкости, чугун является основным материалом для изготовления тех деталей, которые функционируют при большом трении. В силу своих свойств, обработка серого чугуна возможна далеко не всеми способами. Так, например, большое содержание углерода в составе сплава, которое является основным условием при получении чугуна, не позволяет производить с данным сплавом сварочные работы. Они практически невозможны. Однако, учитывая технический прогресс и современные методы, все же некоторые условия позволяют совершить с серым чугуном подобные манипуляции. К специальным условиям относятся: предварительный и качественный прогрев делателей, применение специальных электродов с высоким содержанием углерода. Но даже при всех правильно созданных условиях и сварке, структура металла шва имеет существенные отличия от первоначального материала. Для того, чтобы избежать напряжений в зоне шва, сваренные чугунные детали охлаждаются достаточно медленно.

Структура серого чугуна

Основными компонентами чугуна являются железо и углерод, который содержится в сплаве обязательно в количестве, большем, чем 2,4%. Зачастую содержание углерода колеблется в пределах от 2,9 до 3,7%. Не смотря на то, что углерод является основным компонентом, он является не единственным, и в составе серого чугуна обязательно присутствуют другие составляющие, в частности, кремний, без которого не возможно образование графита. Большую роль на формирование внутренней структуры сплава играют условиях охлаждения после затвердевания и само время остывания. В зависимости от этого чугун может обладать ферритной, ферритно-перлитной или сугубо перлитной металлической основой. Чем быстрее происходит охлаждение чугуна, тем большую долю в своем составе он имеет перлита, что, в свою очередь, отображается на его прочности – она возрастает, однако, вместе с этим существенно снижается его пластичность. Каждая определенная марка чугуна, имеющая оптимальные для конкретного случая сочетания свойств, применяется в совершенно конкретной области. Структурные компоненты серого чугуна обозначаются условно по ГОСТ 3443-87. Например, обозначение пластичного графита, содержащегося в сером чугуне по ГОСТ будет иметь маркировку ПГ. Графит в структуре серого чугуна может иметь различные формы:

• пластинчатую прямолинейную, имеющую обозначение ПГ ф1;
• пластинчатую завихренную, которая обозначается ПГ ф2;
• игольчатую – ПГ ф3;
• гнездообразную — ПГ ф4.

Структура чугуна имеет очень важное значение для того, чтобы в дальнейшем можно было получить необходимые свойства отливки. В связи с этим, очень важное значение имеют все технологические режимы плавки и заливки при работе с серым чугуном.

Применение серого чугуна

Серый чугун благодаря своим уникальным свойствам в сочетании с достаточно низкой стоимостью является тем материалом, который нашел свое широкое применения, в первую очередь, для изготовления деталей, на которые воздействуют незначительные механические нагрузки. Таким образом, данный вид материала является очень популярным и востребованным в таких сферах человеческой деятельности, как машиностроение, строительство, сантехнические работы и многое другое. Также его применяют при изготовлении различных предметов повседневного обихода, кухонной посуды и т.д.

Источник

Технология получения высококачественного серого чугуна с пластинчатым графитом

Требования к жидкому чугуну.

Отливки, используемые в совре­менном машиностроении, должны обладать стабильно высокими механическими свойствами.

Так, например, в автомобилестроении в основном использу­ются отливки серого чугуна, временное сопротивление при рас­тяжении которого σ_Β = 200. 300 МПа и твердость НВ 190. 240. Для значительной части ответственных автомобильных отливок технические условия предусматривают преимущественно перлит­ную структуру с максимальным содержанием феррита до 5 %. Меха­нические условия определяют также характер и размеры включе­ний пластинчатого графита.

Получение высококачественного чугуна связано с применени­ем внепечной обработки расплава — модифицирования. Однако для эффективного модифицирования выплавленный чугун должен удовлетворять определенным требованиям.

Как известно, для получения чугуна с высокими прочностью и твердостью необходимо выплавить металл с пониженным со­держанием углерода и кремния при некотором повышении со­держания марганца. Для получения чугунов марок СЧ40 и СЧ45 необходимо, кроме того, снизить содержание серы и фосфора.

На первый взгляд пониженное содержание углерода и крем­ния упрощает задачи плавки, так как для этого требуется меньше дорогостоящего ферросилиция, существенно уменьшается время на науглероживание металла. В этой связи существует присущий только плавке серого чугуна парадокс — чем выше марка чугуна, тем дешевле шихта для его выплавки.

Однако на практике получение отливок серого чугуна высо­ких марок сопряжено с опасностью получения отбела. Это объяс­няется тем, что структура таких отливок должна быть по пре­имуществу перлитная, на грани отбела. Поэтому даже небольшие отклонения в минус по содержанию углерода и кремния, свя­занные, например, с неточностью дозирования шихты или на­рушениями принятого режима плавки и модифицирования, при­водят к получению половинчатого или белого чугуна. Этот вид брака неизбежно вскрывается в процессе механической обработ­ки и никогда, в отличие от других видов брака, не остается неза­меченным. Очевиден в данном случае и виновник брака — пла­вильное отделение.

Из этих рассуждений следует важнейшее требование к жидкому металлу при получении отливок высококачественного серого чу­гуна — стабильность химического состава.

Кроме того, пониженный углеродный эквивалент приводит к понижению жидкотекучести и требует повышенной температуры заливки.

Содержание вредных примесей — серы и фосфора, допусти­мое для чугунов вплоть до СЧ35, составляет соответственно 0,12 и 0,3 %. Оно обеспечивается при плавке на обычной шихте в печах с кислой футеровкой. Для получения СЧ40 и СЧ45, содержащих серы и фосфора не более 0,02 % каждого, необходимы специальные приемы плавки и внепечной обработки.

Поэтому для получения серого чугуна высокого качества необ­ходимо:

о использовать шихту стабильного состава и обеспечить точ­ность дозирования ее компонентов;

• обеспечить оптимальные уровни перегрева и продолжитель­ности выдержки в условиях применения электроплавильных агре­гатов;

• обеспечить надежность контроля процесса плавки на всех его этапах и возможность оперативного воздействия на него;

• использовать внепечную обработку.

Технология модифицирования.

Модифицирование являет­ся наиболее простым, эффективным и, поэтому, самым распрос­траненным способом повышения прочностных свойств чугуна.

В качестве модификатора при производстве отливок серого чу­гуна чаще всего используют ферросилиций ФС75, обладающий одновременно раскисляющей и графитизирующей способностя­ми. За счет его свойств можно получить мелкозернистую структу­ру отливки, снизить отбел и повысить механические свойства металла. Количество модификатора зависит от различных произ­водственных условий и увеличивается от 0,2. 0,4 % для СЧ25 до 1,5. 2% для СЧ45.

Обычно модификатор вводят в ковш под струю металла, на желоб, в литниковую чашу или в форму. Размер зерен модифика­тора составляет 2. 5 мм при обработке жидкого металла массой до 2 τ и 5. 15 мм при обработке больших количеств.

В зависимости от способа ввода модификатора может усваи­ваться 70. 90% (кремния).

Перед употреблением модификатор прокаливают при 300. 400 °С в течение 1. 2 ч. Пылевидные фракции размером менее 0,5 мм отсеивают.

Температура металла при выпуске из печи составляет обычно 1420. 1460°С, она должна быть тем большей, чем выше марка чугуна. После ввода модификатора металл целесообразно переме­шать для равномерного распределения его в объеме ковша. Во из­бежание потери эффекта модифицирования выдержка чугуна после добавки модификатора не должна превышать его живучести. Эта величина для ферросилиция ФС75 в зависимости от емкости ков­ша составляет:

Масса металла в ковше, τ. До 0,5 0,5. 2 2. 10

Допустимая выдержка, мин. 3. 5 5. 8 8. 10

В настоящее время для получения высококачественного серого чугуна применяются разнообразные модификаторы и способы их ввода. Эффективность их применения в большой степени зависит от разнообразных условий производства, поэтому имеющиеся дан­ные позволяют лишь отметить наиболее характерные особенности различных модификаторов, не давая оснований для сравнитель­ной оценки эффективности их использования.

Силикокальций может использоваться самостоятельно в количестве 0,3 . 0,6 % от массы жидкого чугуна, а также в смеси с ферросилицием ФС75 в соотношении 1:1 или с ФС75 и графитом в зернах.

Алюминий в смеси с ферросилицием или с графитом эф­фективно предотвращает отбел чугуна.

Графит черный — наиболее простой и дешевый модифика­тор, предотвращающий отбел на тонкостенных отливках.

Силикобарий является комплексным модификатором с по­вышенной живучестью.

Важно отметить, что для достижения максимального эффекта модифицирования исходный чугун должен иметь пониженный углеродный эквивалент и при затвердевании без модифицирова­ния образовывать структуру белого или половинчатого чугуна. Модификатор вводится в таком количестве, что углеродный эк­вивалент модифицированного чугуна оказывается равным его ве­личине в немодифицированном чугуне, имеющем структуру на грани отбела для данной толщины стенки отливки.

Жидкое модифицирование.

При производстве крупных толстостенных отливок температура заливки обычно не превы­шает 1250 °С. Введение твердых модификаторов в такой «холод­ный» чугун не дает положительных результатов. В этих случаях ока­зывается эффективным жидкое модифицирование, которое осу­ществляют путем смешивания жидкого чугуна с расплавленным модификатором — расплавленной сталью или жидким чугуном с высоким углеродным эквивалентом. Такая операция не является Простым смешиванием и усреднением химического состава и тем­пературы расплава, при этом происходят процессы, по результа­там аналогичные модифицированию, — структура чугуна измель­чается.

Существенное влияние на результат жидкого модифицирова­ния оказывает продолжительность выдержки полученного метал­ла до его заливки в форму. Модифицирующее воздействие жидко­го модификатора так же, как и при введении твердого модифика­тора, спустя 20 мин исчезает.

Недостатком метода жидкого модифицирования является не­обходимость использования двух одновременно работающих пла­вильных печей.

Кроме модифицирования разработаны многочисленные мето­ды внепечной обработки, из которых для получения высококаче­ственного серого чугуна в настоящее время наибольшее практи­ческое значение имеет обρабоτка чугуна жидкими син­тетическими шлаками с целью снижения содержания серы, фосфора, неметаллических и газовых включений.

Синтетический шлак на основе извести (60. 70 %) и плавико­вого шпата (5. 10 %) приготовляют в специальной шлаковой печи, затем сливают в ковш и заливают в него жидкий чугун. При этом происходит эмульгирование мельчайших капель шлака в чугуне и существенно возрастает величина межфазной поверхности металл-шлак. В результате такой обработки содержание серы в чугуне сни­жается на 90 % от первоначального. Этот метод целесообразно ис­пользовать в тех случаях поставок шихты с повышенным содержа­нием серы, которые не носят систематического характера.

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

Источник

Способ получения серого чугуна

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения серых чугунов различных марок на базе единого исходного расплава с пониженным содержанием углерода и кремния. Способ включает выплавку исходного расплава с содержанием углерода и кремния, составляющим, соответственно, 0,86-0,99 и 0,61-0,90 содержания их по массе в готовом чугуне, обработку расплава комплексной присадкой в одном или нескольких ковшах путем ввода присадки в общем количестве 0,1-1,4% от массы обрабатываемого металла и графитизирующими модификаторами на основе кремния — в разливочном ковше. Способ обеспечивает высокие механические свойства однородных по сечению тонкостенных (5-50 мм) отливок в условиях широкого диапазона температур выплавляемого чугуна, при возможности получения различных марок чугуна из базового расплава единого состава. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения серых чугунов различных марок на базе единого базового расплава с пониженным содержанием углерода и кремния.

Известны различные способы получения серого чугуна с применением ковшевых добавок.

Так, известен способ получения серого чугуна, включающий перелив расплава из печи в промежуточный ковш, где производится модифицирование ферросилицием марки ФС-75 в количествах, зависящих от марки сплава и окончательной доводки чугуна по содержанию кремния /1/. Этот способ не дает возможности получать заготовки с различными свойствами на базе единого расплава, кроме того, имеет место наличие газовых раковин в отливках.

Известен способ получения серого модифицированного чугуна, включающий плавку в индукционной печи, термовременную обработку, присадку в расплав чугуна поташа в количестве 0,003-0,005% смеси мелкодисперсного графита и колошниковой пыли при соотношении /1-4/:1 в количестве 0,05-0,25% и после выпуска расплава из печи обработку в ковше кремнийсодержащим модификатором в количестве 0,15-0,20% от массы чугуна в ковше /2/. Этот способ не обеспечивает однородности свойств чугуна в сечениях отливок различной толщины, ввиду малой эффективности сочетания внепечных добавок.

Наиболее близким, по мнению авторов, является способ получения серого чугуна, состоящий в выплавке исходного расплава с содержанием углерода и кремния, соответственно, 0,65-0,85 и 0,2-0,5 содержания по массе в готовом чугуне, выпуск расплава в промежуточный ковш, в котором проводится первая обработка расплава путем введения комплексной присадки, содержащей 20-35% углерода и 50-70% кремния, в количестве 1,5-3,5%, а вторая обработка — в разливочном ковше путем введения графитизирующих модификаторов на основе кремния в количестве 0,1-0,5% от массы жидкого чугуна и ковше /3/.

Недостатком указанного способа является его неприменимость для обработки металла комплексной присадкой, содержащей 20-35% углерода и 50-75% кремния при температуре менее 1450 o C, ввиду значительного снижения степени усвоения комплексной присадки в расплаве в количестве свыше 1,4%. При этом, в сечениях отливок толщиной менее 10 мм не обеспечивается однородность структуры и механических свойств. Другим недостатком является непременное требование сложной схемы разливки с обязательным использованием наряду с разливочным ковшом и промежуточного ковша.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: получение чугуна в тонкостенных отливках с толщинами сечений от 5 до 50 мм с высокими и однородными механическими свойствами в условиях широкого диапазона температур выплавляемого чугуна и упрощение технологической схемы разливки чугуна.

Техническими результатами от использования данного изобретения являются повышение механических свойств чугуна, достижение однородности механических свойств по сечению тонкостенных отливок и получение различных марок чугуна из единого базового расплава.

Поставленная задача решается тем, что в способе, включающем выплавку исходного расплава, выпуск расплава в ковш и обработку расплава комплексной присадкой, содержащей 20-35% углерода и 50-75% кремния, и графитизирующими модификаторами на основе кремния в количестве 0,1-0,5% от массы жидкого металла, исходный расплав выплавляют с содержанием углерода и кремния, составляющим, соответственно 0,86-0,99 и 0,61-0,90 содержания их по массе в готовом чугуне, при этом обработку расплава комплексной присадкой производят в одном или нескольких ковшах путем ввода присадки в общем количестве 0,1-1,4% от массы жидкого металла, а графитизирующими модификаторами на основе кремния — в разливочном ковше.

Отличительными признаками являются параметры исходного базового расплава /содержание углерода и кремния, соответственно, 0,86-0,99 и 0,61-0,90 содержания их по массе в готовом чугуне/ и способе обработки расплава: комплексной присадкой в одном или нескольких ковшах, путем ввода присадки в общем количестве 0,1-1,4% от массы жидкого металла, а графитизирующими модификаторами — в разливочном ковше.

Граничные пределы параметров предлагаемого способа получения серого чугуна определяются следующим: при содержании в базовом расплаве углерода менее 0,86 и/или кремния менее 0,61 от их конечных содержаний в готовом чугуне ковшевая обработка не обеспечивает достаточного уровня графитизации сплава, что приводит к образованию отбеленных зон и высокой твердости серого чугуна в тонких сечениях.

Если содержание углерода более 0,99 и/или кремния более 0,90 от их содержания в готовом чугуне, снижается эффективность действия комплексной присадки и не обеспечивается равномерность механических свойств по сечению отливок.

Введение в ковш комплексной присадки в количестве менее 0,1% от массы расплава не позволяет достигнуть необходимого уровня содержаний углерода и кремния, что обуславливает образование усадочных дефектов, спаев и отбела в отливках, и не позволяет получить различные марки чугуна из единого базового расплава.

Повышение количества комплексной присадки свыше 1,4% не позволяет получить необходимый уровень прочностных свойств серого чугуна, особенно в центральных перегретых зонах отливок.

Обработка серого чугуна графитизирующими сплавами ни основе кремния обеспечивает модифицирующий эффект, повышая дисперсность и мелкозернистость структуры и, соответственно, уровень прочностных свойств и снижая склонность к отбелу.

При промышленном опробовании способа, в индукционной тигельной печи выплавляли базовый чугун с содержанием углерода 0,86-0,99 и кремния 0,61-0,90 от их конечного содержания в готовом чугуне. Шихта состояла из стального лома, чугунного лома и ферросплавов. Металл в печи перегревали до температуры выпуска 1410-1440 o C и скачивали шлак. Ковшевая обработка расплава производилась комплексной присадкой, содержащей 20-35% углерода и 50-75% кремния в количестве 0,1-1,4%, а модифицирующей смесью ферросилиция ФС75Л и кремнийсодержащей лигатуры с Р3M — в количестве 0,1-0,5% от массы жидкого металла — в разливочном ковше. При этом обработка комплексной лигатурой производилась как последовательно в раздаточном и разливочном ковшах, так и в одном разливочном ковше. Чугун, полученный по данной технологии, заливали в формы для получения тонкостенных отливок фасонного вида и образцов для механических испытаний.

Результаты, полученные при применении различных вариантов заявленного способа и способа-прототипа, приведены в таблицах.

В табл. 1 представлены конкретные примеры осуществления способа и способа-пртотипа.

В табл. 2 представлены свойства чугуна, полученного эаявленным способом и известным способом-прототипом.

Из результатов табл. 2 следует, что при применении предлагаемого способа при одинаковых конечных химических составах чугуна в различных сечениях тонкостенных отливок обеспечиваются однородные и высокие значения прочности и показатели качества ПК при температуре жидкого чугуна менее 1450 o C.

Экономическая целесообразность применения в производстве прелагаемого способа получения серого чугуне состоит в возможности получения гаммы марок чугуна из единого базового расплава и снижения стоимости шихты для выплавки базового чугуна; кроме того, предлагаемый способ возможно использовать в цехах с различными технологическими схемами разливки металла.

Список литературы 1. Патент ГДР N 259755, МКИ C 21 C 1/08, РЖ ТОЛП, 1989 г., N 4, реф. 4Г119П.

2. А.с. СССР N 1388433, МКИ C 21 C 1/08, БИ N 14, 1986 г.

3. Патент РФ N 2139941, МКИ C 21 C 1/08, БИ N 29, 1999 г.

Способ получения серого чугуна, включающий выплавку исходного расплава, выпуск расплава в ковш и ковшевую обработку расплава комплексной присадкой, содержащей 20-35% углерода и 50-75% кремния, и графитизирующими модификаторами на основе кремния в количестве 0,1-0,5% от массы жидкого металла, отличающийся тем, что исходный расплав выплавляют с содержанием углерода и кремния, составляющим соответственно 0,86-0,99 и 0,61-0,90 содержания их на массе в готовом чугуне, при этом обработку расплава комплексной присадкой производят в одном или нескольких ковшах путем ввода присадки в общем количестве 0,1-1,4% от массы жидкого металла, а графитизирующими модификаторами на основе кремния — в разливочном ковше.

Источник