книги из ГПНТБ / Писаренко Г.А. Отливки металлургического оборудования из чугуна с шаровидным графитом

ВВЕДЕНИЕ

В общем балансе выпуска литья по Советскому Союзу смей-

ные литые детали металлургического оборудования составляют свыше 20%. Из этого количества около половины приходится на

чугунные изложницы для разливки стали, примерно 10%—на литые чугунные и стальные прокатные валки и столько же — на

отливки, преимущественно стальные, предназначенные для рабо­

ты при высоких температурах (окалиностойкие отливки). Осталь­ ную часть составляют запасные части оборудования металлурги­ ческих и горнорудных предприятий.

Частая замена деталей, вышедших из строя, связана с огром­ ными затратами, вызывает простои .агрегатов и снижает их про­ изводительность, поэтому работники науки и производства непре­

рывно работают над повышением стойкости и снижением стоимо­ сти изготовления этих деталей. В результате проведенных работ заложены научные основы производства важнейших видов отли­ вок, повышена стойкость и снижена стоимость сменных деталей,

однако далеко еще не все возможности в этом направлении ис­ черпаны.

Одним из крупных резервов повышения стойкости является

использование для отливки сменных деталей металлургического

оборудования материалов, обладающих более высокими свойст­ вами, чем обычный чугун и сталь. За последние годы с появле­ нием нового конструкционного материала — чугуна с шаровидным графитом, обладающего рядом ценных свойств, работники науки и производства получили мощное средство для достижения по­

ставленных задач. В настоящее время из чугуна с шаровидным графитом отливают десятки тысяч тонн прокатных валков, из­

ложниц, окалиностойких отливок и других сменных деталей ме­ таллургического оборудования. Имеются реальные возможности еще больше расширить применение чугуна с шаровидным графи­ том, так как запасные части металлургического оборудования,

как и машиностроительные отливки, производятся в основном из обычных чугунов и сталей. Характерно, что доля стальных отли­

вок в общем объеме литейного производства продолжает расти

из года в год, несмотря на более высокую их стоимость. Работни­

ки служб главного механика металлургических заводов обычно

при очередном ремонте оборудования заменяют чугунные детали стальными, не считаясь со сложностью получения этих деталей и их высокой стоимостью.

4 Введение

Чугун с шаровидным графитом для отливки изложниц круп­ ного и среднего веса не получил еще достаточного распростране­ ния. Объясняется это серьезными трудностями в получении оди­ наковых и равномерных свойств чугуна в толстых стенках излож­ ницы. Однако практика отливки крупных изложниц в СССР и за рубежом показывает, что и здесь достигнуты большие успехи.

Дальнейшее расширение теоретических исследований и своевре­ менная информация о практических достижениях в этой области

литейного производства будут способствовать еще большему внедрению чугуна с шаровидным графитом.

Производство отливок деталей металлургического оборудова­ ния носит индивидуальный и мелкосерийный характер. Только изложницы отливаются сравнительно большими партиями одно­ го и того же типа и веса. Кроме того, литейные цехи металлурги­ ческих заводов, несмотря на выпуск большого количества литья, значительно слабее оснащены, чем соответствующие цехи маши­ ностроительных заводов. Это накладывает особый отпечаток на технологию производства отливок. Новая технология для произ­

водства отливок из чугуна с шаровидным графитом должна отли­ чаться универсальностью и простотой и базироваться на исполь­ зовании существующего оборудования, процессов и материалов. Это обстоятельство учитывается в данной работе. Из большого

количества разнообразных отливок металлургического оборудо­ вания, производимых в настоящее время из чугуна с шаровид­ ным графитом, в этой книге описываются лишь немногие типич­ ные отливки, ознакомление с производством которых, а также со свойствами чугуна с шаровидным графитом, может способство­ вать дальнейшему расширению этого важного вида производства.

Г л а в a I

СВОЙСТВА ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ1

Чугун с шаровидным графитом, полученный обработкой маг­

чугуна как материала для отливок металлургического оборудо­ вания, в частности изложниц и валков.

1.Влияние некоторых факторов на механические свойства

иструктуру чугуна, обработанного магнием12

Чугун в отливках характеризуется, главным образом, механи­

ческими свойствами и структурой, зависящими от следующих факторов: химического состава, рода модификатора и способа мо­ дифицирования жидкого чугуна, скорости кристаллизации чугуна

в отливке (толщины стенки), режима отжига и др.

Механические свойства чугуна изучались на образцах, изго­

товленных из трефовидных проб или из отливок. Предел прочно­ сти при изгибе и стрела прогиба определялись на цилиндрических образцах диаметром 30 мм при расстоянии между опорами

300 мм-, предел прочности при растяжении и относительное удли­

нение — на образцах диаметром 10 мм с расчетной длиной 50 мм-,

ударная вязкость — на образцах без надреза размером 10 X 10 X Х55 мм при расстоянии между опорами 40 мм.

Химический состав

Большое количество отливок из чугуна с шаровидным графи­ том подвергается термической обработке, поэтому данные о влия­ нии химических элементов на механические свойства приводятся

для чугуна после отжига [1; 2; 3].

Чугун с различным содержанием углерода, кремния, марган­ ца, фосфора и хрома выплавлялся в высокочастотной индукцион­

1Главы I, II и IV написаны Г. А. Писаренко, главы III и V — А. С. Фи­ липповым.

2Исследование влияния некоторых факторов на механические свойства и структуру чугуна, обработанного магнием, а также — роста и коэффициентов линейного расширения выполнено совместно с С. Г. Гутерманом,

6 Свойства чугуна с шаровидным графитом

ной печи емкостью 300 кг. Изменение содержания изучаемого хи­ мического элемента производилось в чугуне одной плавки, при этом состав чугуна по содержанию других элементов сохранялся, по возможности, постоянным. Изменение содержания кремния,

марганца, фосфора и хрома осуществлялось присадкой соответ­ ствующих ферросплавов, а углерода — науглероживанием метал­ ла графитом. Температура перегрева чугуна поддерживалась по­ стоянной (1390—1400°). Обработка чугуна магнием в количестве

0,6% от веса жидкого металла и модифицирование высокопро­

центным ферросилицием в количестве 0,5%' производились в ков­

ше с весом жидкого металла 50 кг.

Влияние углерода. На рис. 1 приведены результаты механических испытаний чугуна, содержащего 2,78 % Si; 0,60%'

Мп; 0,083% Р при различном содержании углерода (от 2,88 до 3,90%). Из диаграммы видно, что с увеличением содержания углерода предел прочности и относительное удлинение прямоли­ нейно понижаются. Размер глобулей графита с увеличением со­ держания углерода уменьшается. Это, вероятно, объясняется тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число за­ родышевых центров графита при кристаллизации чугуна.

Установленная закономерность влияния углерода показывает, что одним из путей повышения механических свойств чугуна с

шаровидным графитом является понижение содержания в нем

углерода. Но следует иметь в виду, что с уменьшением количе­ ства углерода до 2,8%' и ниже в чугуне с шаровидным графитом наблюдается значительное падение пластичности вследствие уменьшения степени графитизации цементита при отжиге чугуна и увеличения количества черных пятен. Кроме того, при содержа­

нии в чугуне углерода менее 3,0% сильно ухудшаются его литей­ ные свойства — уменьшается жидкотекучесть и увеличивается склонность к объемной усадке.

В случаях, когда к чугуну отливок предъявляются более вы­ сокие требования в отношении механических свойств, в отлив­ ках с толстыми стенками (более 50 мм) оптимальным содержа­ нием углерода следует считать 3,2—3,4%, в отливках же с тон­ кими стенками содержание углерода можно допускать до 3,8%.

Наличие в магниевом чугуне пластинчатого графита ухудшает его механические свойства, поэтому необходимо добиваться кри­

сталлизации графита только в шаровидной форме.

Влияние кремния. Данные о механических свойствах чугуна, содержащего 3,41% С; 0,66% Мп; 0,12% Р; 0,004% S и 2,0 — 3,8% Si, приведены на рис. 2. Металлическая основа чугу­ на при всех исследованных содержаниях кремния имеет феррито­ перлитовую структуру с увеличением количества феррита по мере повышения содержания кремния. Увеличение содержания крем­ ния в чугуне с 2,0 до 2,6% практически не вызывает изменения

8 Свойства чугуна с шаровидным графитом

вать некоторое влияние на увеличение прочности чугуна. Содер­ жание кремния в чугуне должно быть установлено в зависимости от содержания углерода, толщины стенок отливки и получения желаемой структуры. Чем толще стенки отливок и больше угле­ рода в чугуне, тем меньше нужно иметь в нем кремния.

Влияние фосфора. На рис. 3 приведены результаты ме­ ханических испытаний чугуна, содержащего 3,67% С; 2,70%' Si; 0,60% Мп; 0,007% S и 0,042 — 0,221 % Р. Структура металличе­ ской основы у всех проб феррито-перлитная, но количество пер­ лита несколько увеличивается с повышением содержания фосфо­ ра в чугуне. При этом перлит образуется преимущественно в зоне расположения фосфидной эвтектики, а при отсутствии послед­

ней — на границах первичных зерен. Наличие перлита на грани­

цах первичных зерен после длительного отжига чугуна при 700° наблюдалось также И. Н. Богачевым [8]. Согласно исследова­ ниям В. Ф. Сенкевич [9], вблизи включений фосфидной эвтекти­ ки аустенит обогащен углеродом, поэтому при охлаждении в

эвтектоидном интервале температур распад аустенита идет с об­

разованием перлита, а не феррита, как это наблюдается около графитных включений, на границе с которыми аустенит обеднен углеродом.

Эвтектоидный цементит, образующийся в результате распада аустенита, даже при очень медленном охлаждении или длитель­ ной выдержке ниже критической точки (700—750°) не графи­ тизируется. Это указывает на то, что в зоне выделений фосфид­ ной эвтектики, а также на границах первичных зерен устойчи­ вость цементита повышается, что и приводит к сохранению в этих зонах перлита. С повышением содержания фосфора увеличивает­ ся размер и количество фосфидной эвтектики.

Следует отметить, что при известных условиях затвердевания

фосфидная эвтектика может образовываться и при пониженном

содержании фосфора в чугуне вследствие явлений ликвации. В отливках с толстыми стенками крупная фосфидная эвтектика выделяется уже при содержании 0,1% Р.

С увеличением содержания фосфора предел прочности и удлинение уменьшаются (рис. 3). Такое влияние фосфора на ме­ ханические свойства чугуна объясняется характером расположе­ ния, количеством и размером выделений фосфидной эвтектики. Вследствие низкой температуры плавления фосфидная эвтектика выделяется на границах первичных зерен и, ослабляя связь меж­ ду ними, понижает пластические свойства и прочность чугуна в тем большей степени, чем больше ее количество и крупнее выде­ ления.

Влияние марганца. Марганец оказывает значительное влияние на механические свойства и структуру чугуна с шаровид­ ным графитом. На рис. 4 приведены результаты механических