Чугунное литье

Алан-э-Дейл       12.06.2022 г.

Литература

  • Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.
  • Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев и др. Металлургия чугуна: Учебник для вузов / под ред. Ю. С. Юсфина. — З-е издание, переработанное и дополненное. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с. — 2000 экз. — ISBN 5-94628-120-8.
  • Physics and chemistry of solid state, № 4, 2014, vol. 15.
  • Коротич В. И., Набойченко С. С., Сотников А. И., Грачев С. В., Фурман Е. Л., Ляшков В. Б. Начала металлургии: Учебник для вузов / под ред. В. И. Коротича. — Екатеринбург: УГТУ, 2000. — 392 с. — ISBN 5-230-06611-3.
  • Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение: Справочное издание = Metallurgie und Werkstofftechnil: ein Wissensspeicher / Пер. с нем. Б. И. Левина и Г. М. Ашмарина под ред. П. И. Полухина, М. Л. Бернштейна. — М.: Металлургия, 1982. — 480 с. — 16 000 экз.

Примечания

  1. ↑ , с. 41.
  2. , с. 54.
  3. , с. 39.
  4. ↑ Чугун / Мильман Б. С., Ковалевич Е. В., Соленков В. Т. // Чаган — Экс-ле-Бен. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — С. 248—249. — ( :  / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 29).
  5. ↑ , с. 178.
  6. , с. 40.
  7. , с. 51—52.
  8. , с. 53.
  9. , с. 138—140, 144—153.
  10. Л. Г. Бескровный. Армия и флот в XVIII веке.. — М.: Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, 1958. — С. 361. — 662 с.
  11.  (недоступная ссылка). Дата обращения: 15 октября 2017.
  12. А. Н. Граблёв. Машины и технология литейного производства. — М.: МГИУ, 2010. — С. 14. — 228 с. — ISBN 978-5-2760-1857-7.
  13. , с. 245, 253.
  14. , с. 246.
  15. , с. 245.
  16. Ленин. Империализм, как высшая стадия капитализма, гл. 7.

Состав литейного чугуна

Химический состав литейного чугуна сказывается на качестве отливок. Очень большое влияние оказывает углерод, который содержится в чугуне в виде графита, карбида, углерода закала. Когда много графита он разрыхляет чугун, придает мягкость. Когда графита более 2,5%понижается прочность и вязкость металла. Соответственно сплав будет непригоден к отливке.

Кремний производит вытеснение углерода из соединения с железом, в результате такой реакции выделяется графит. Высокое содержание кремния препятствует насыщению углерода. Литейный чугун состав которого включает  марганец ,получает часть своих свойств благодаря этому включению. Так марганец повышает степень твердости, но придает хрупкость отливке, поэтому считается ненужной примесью. Но, данный элемент защищает железо и другие примеси от окисления.

Химический состав литейного чугуна включает также фосфор, который играет особую роль в придании сплаву определенных качества и свойств. Он придает чугуну особую твердость, уменьшая при этом упругость и ненужную вязкость. Чтобы чугун был с  достаточно хорошей прочностью, необходимо не более 0,3% фосфора. Фосфор увеличивает хорошую плавкость чугуну, что позволяет точнее подчеркнуть формы при заливке и застывании придать более гладкую поверхность. Сера препятствует насыщению углерода, а также замедляет выделение графита.

Литейный чугун состав, которого включает и серу, может несколько терять свою плавкость. При высоком содержании данной примеси он становится густым и соответственно плохо заполняет форму. Поэтому материал с большим содержанием серы не применяют для тонкого литья. От того каким будет начальный состав чугуна зависит химический состав готовой отливки.

Свойства литейного чугуна

Главные свойства литейного чугуна — хорошие литейные показатели, мягкая текучесть и малая объемная усадка. Детали из данного металла малочувствительны внешнему напряжению при периодических нагрузках, степень поглощения колебаний, когда есть вибрация достаточно высокая, выше, чем у стали в 2-4 раза. Также благодаря графиту свойства литейного чугуна имеют хорошие антифрикционные свойства, что повышает работоспособность детали. Однако графитные включения в составе сплава придают ему хрупкость. Эти включения словно многочисленные надрезы в литом металле.

 Никель, как легирующий элемент, оказывает хорошее влияние на свойства литейного чугуна, он увеличивает коррозийные функции и улучшает обработку сплава. Медь графитизирует углерод, значительно повышает текучесть, прочность и достаточную твердость металла. Температура плавления зависит от химического состава материала и может колебаться в пределах 1130 — 1350 градусов Цельсия.

Основные маркировки по ГОСТ литейного чугуна:

  • Л1, Л2, Л3, Л4, Л5,
  • Л6, ЛР1, ЛР2, ЛР3, ЛР4,
  • ЛР5,ЛР6, ЛР7.

Маркировка

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

  • передельный чугун — П1, П2;
  • передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
  • передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
  • передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
  • чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).

Антифрикционный чугун:

  • антифрикционный серый — АЧС;
  • антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
  • антифрикционный ковкий — АЧК;
  • чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
  • чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

Ковкий чугун маркируется двумя буквами и двумя числами, например КЧ 37-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число — предел прочности на разрыв (в десятках мегапаскалей), второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Классификация

Микроструктура белого чугуна

Микроструктура белого чугуна при 100-кратном увеличении

По цели использования получаемый чугун делится на

  • передельный (используется для дальнейшего передела в сталь) и
  • литейный (используется для дальнейшего изготовления отливок).

В зависимости от содержания углерода чугуны делятся на

  • доэвтектические (2,14—4,3 % углерода),
  • эвтектические (4,3 %),
  • заэвтектические (4,3—6,67 %).

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне, обусловливающего вид излома, различают

  • белые (весь углерод находится в виде цементита, излом светлый, применяются в основном для изготовления ковких чугунов, которые получают путём отжига),
  • серые (чугуны с содержанием кремния 1,2—3,5 % и примесей Mn, P, S, большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы, излом имеет серый цвет),
  • половинчатые (отбелённые) чугуны.

В зависимости от формы графитовых включений выделяют чугуны

  • с пластинчатым графитом (как правило, не подвергается легированию),
  • с шаровидным графитом (высокопрочные),
  • с вермикулярным графитом,
  • с хлопьевидным графитом.

В зависимости от состава и структуры металлической основы выделяют

  • перлитные,
  • ферритные,
  • перлитно-ферритные,
  • аустенитные,
  • бейнитные и
  • мартенситные чугуны.

По назначению чугуны делятся на

  • конструкционные и
  • специальные.

По химическому составу чугуны делятся на

  • легированные и
  • нелегированные.

История

См. также: История производства и использования железа и

В начале I тысячелетия до н. э. технология выплавки чугуна в тиглях была освоена в Китае и прилегающих Дальневосточных территориях. Шихта состояла из кричного железа и древесного угля, плавка производилась в течение нескольких суток при температуре выше 1200 °С. Позднее китайскими металлургами была изобретена специальная печь для выплавки чугуна из железной руды или кричного железа, получившая название «китайская» вагранка. Печь по сути представляла собой сыродутный горн высотой около 1 м, оборудованный дутьевым ящиком, обеспечивавшим приток воздуха в печь. В V—III веках до н. э. в Китае было освоено производство сложных отливок из чугуна. Этот период принято считать началом художественного чугунного литья.

В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область), однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол.

Появление чугуна в Европе относят к XIV веку, когда начались первые плавки в штюкофенах с получением жидкого чугуна. В России первый чугун был выплавлен в XVI веке. Наиболее активно первые домницы строились во 2-й половине XV века в Италии, Нидерландах и Бельгии. Немецкие металлурги длительное время продолжали плавить металл в блауофенах.

В XIV—XV веках в Европе, с XVI века — в России появились первые цельнолитые чугунные пушки и ядра. Первооткрывателем этой технологии считается мастер-литейщик Питер Боуде из деревни Бакстед работавший в литейной мастерской Генриха VIII.

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел. В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост. В России чугунный мост появился лишь в начале XIX века. Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы. Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи.

В начале XVIII века в Западной Европе обострилась проблема истощения лесов, использовавшихся для получения древесного угля. Начались поиски альтернативных видов топлива для доменных печей. Первые опыты по применению подготовленного каменного угля и торфа в доменной плавке производились в Англии и Германии ещё в первой половине XVII века. В начале XVIII века в Англии была освоена технология коксования каменного угля. В 1735 году в Англии впервые был выплавлен чугун с использованием только каменноугольного кокса. В дальнейшем коксовая металлургия распространилась по всему миру. К 1850 году 70 % всех существовавших в мире доменных печей работали на коксе, а к 1900 году — 95 %.

К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США.

В начале XIX века был освоено производство ковкого чугуна. Во 2-й четверти XX века начали применять легирование чугуна.

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США. Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов, а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы.

Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении. Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона.

Объёмы производства

Чугун, отлитый в виде чушек

Выпуск чугуна из доменной печи

В 1892 году Германия производила 4,9 миллиона тонн чугуна, против 6,8 в Англии, а в 1912 году уже 17,6 против 9,0

Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т). Первая десятка стран-производителей чугуна выглядела следующим образом:

Местов 2009 году Страна Производство чугуна,млн тонн
1 Китай 543,748
2 Япония 66,943
3 Россия 43,945
4 Индия 29,646
5 Южная Корея 27,278
6 Украина 25,676
7 Бразилия 25,267
8 Германия 20,154
9 США 18,936
10 Франция 8,105

За четыре месяца 2010 года мировой выпуск чугуна составил 346,15 млн тонн. Этот результат на 28,51 % больше по сравнению с аналогичным периодом 2009 года.

Основные методы чугунного литья

Современная промышленность использует много различных методов производства чугунного литья. Они сводятся к нескольким основным методам литья:

в формы из глиняно-песчаной смеси (так называемое литье «в землю»)

внутрь формы помещается модель готового изделия, полностью повторяющаяся его форму, но превышающая его по размерам на величину литейной усадки. Глиняно-песчаная смесь трамбуется и уплотняется, обеспечивая полное прилегание к модели. Литье чугуна в форму осуществляется через специально предусмотренные отверстия — литники.

  • в гипсовые формы (и из других отвердевающих растворов);
  • в оболочковые формы;
  • в кокиль (металлические защищенные формы);
  • по выплавляемым моделям;
  • под давлением.
  • В газифицируемую модель

Специалисты различают несколько видов чугуна, в зависимости от содержания тех или иных примесей.

Виды чугуна

Серый чугун содержит от 2,9% до 3,7% графита и кремний, обладает отличными литейными свойствами:

  • низкая температура плавления
  • высокая текучесть расплава
  • малая усадка.

Является подходящим материалом для корпусов станков и механизмов, поршней и блоков цилиндров двигателей. Высокая хрупкость исключает применение материала в деталях, работающих на изгиб и растяжение. Литье серого чугуна преимущественно проводится в песчаные формы и в кокиль.

Высокопрочный чугун, ВЧШГ, содержит графит в шаровидной форме. Этот вид графита отличается высокой вязкостью и ковкостью, пригоден для кузнечной обработки. Из него отливают трубы, трубопроводную арматуру, ответственные и высоконагруженные детали механизмов.

Высокопрочный чугун

Изделия из высокопрочного чугуна производят также методом литья в газифицируемую модель. Литье чугуна производится в форму из песчаной смеси, уплотненной вокруг полистироловых блоков моделей.

Для улучшения механических свойств отливки из высокопрочного чугуна подвергают термической обработке. Ее основные этапы:

  • нагрев до 850 °C;
  • выдержка в нагретом состоянии несколько часов;
  • медленное остывание в минеральном масле при 350 °C.

Термообработка повышает однородность материала и снимает внутренние напряжения в отливке, снижая вероятность возникновения трещин в процессе эксплуатации

Преимущества чугунного литья

Чугунное литье отличается от отливок из других материалов рядом преимуществ, таких, как:

  • дешевизной
  • высокой прочностью и износостойкостью
  • высоким качеством поверхности, сводящим к минимуму последующую механическую обработку

Характеристики и применение чугуна

Важно отметить, что при использовании современных методов литья дешевле получается не только сама отливка, но и конечная продукция. Многие производства, в конце 20 века заменившие чугунные детали своих изделий на стальные, вернулись или планируют вернуться к проверенному временем материалу на новом этапе его развития

Технология литья из чугуна

Технология литья из чугуна впервые была освоена в Китае около Х века н.э., в Европе впервые упоминается в 14 веке, как материал для производства пушек. В России первое «литье чугунное, для делания пушек пригодное» относиться к эпохе Ивана IV Рюриковича. Расцвет эпохи чугуна наступил в 19-20 веках. В это время из него делали мосты и трубопроводы, фонари и ограды, элементы архитектурного декора и несущие конструкции зданий. Кроме того, из того же материала отливали рельсы, детали станков, и двигателей. Отдельно стоит упомянуть чугунную посуду, утюги и отопительные приборы.

https://youtube.com/watch?v=LFeoWOAJY3U

Чугун также являлся исходным компонентом для производства стали мартеновским способом. Объем его производства был важнейшим показателем экономической мощи страны и ее военного потенциала. С изобретением недорогих технологий производства и обработки сплавов алюминия и стали значение чугуна как конструкционного материала заметно снизилось. Широкое развитие производства высокопрочных пластиков и композитных материалов окончательно оттеснило чугун с передовых позиций.

Способы литья

Наиболее современный способ это литье по газифицируемым моделям. Этот способ позволяет не только осуществлять литье чугуна, но и получать стальные отливки. Способ отличается экономичностью, экологичностью и возможностью повторного использования материала форм.

Способ состоит из следующих этапов.

Подготовка моделей

Модели делают из предварительно вспененного и подсушенного полистирола с размером зерна 0,3— 0,9 мм. (в зависимости от габаритов детали). Материал задувается в формы, запекается и охлаждается.

Литье по газифицируемым моделям

Модели склеивают или спаивают в блоки. Далее блоки опускают в ванну, чтобы нанести противопригарное покрытие и высушивают. Если конфигурация изделия сложная, то покрытие наносят из сопла.

Формовка

Блоки моделей помещают в опоку, размещенную на вибрирующем основании, постепенно засыпая их песчано-глиняной смесью, их «землей». Иногда засыпку производят слой за слоем, отдельно уплотняя каждый.

Засыпанные и уплотненные формы перевозят в заливочный цех. Вакуумный насос завершает уплотнение песка и придание ему достаточной прочности.

Заливка металла

Металл заливают прямо в материал модели. Жидкий расплав испаряет полистирольные модели и заполняет все детали рельефа.

Формовка чугуна

Продукты сгорания полистирола удаляются вакуумным насосом прямо через стенки формы.

Завершающие операции

Отливки из чугуна остывают в форме. Темп снижения температуры и общая его длительность определяется весом детали, толщиной ее стенок и требованиями производственного процесса. Далее формы разбиваются, отливки очищаются от остатков противопригарной краски, удаляются литники.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.