Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы
Особенность литья в вакуумируемые формы обусловлена воздействием вакуума на металл отливки, способствующим ускоренному образованию её поверхностного слоя с измельчением структурных составляющих. Незначительное снижение твёрдости ВЧ отливки в целом предложено компенсировать применением медно-магниевы...
Gespeichert in:
| Datum: | 2015 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2015
|
| Schriftenreihe: | Металл и литье Украины |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162795 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы / В.C. Дорошенко, В.О. Шинский // Металл и литье Украины. — 2015. — № 9. — С. 18-21. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-162795 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1627952020-01-17T01:26:01Z Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы Дорошенко, В.C. Шинский, В.О. Особенность литья в вакуумируемые формы обусловлена воздействием вакуума на металл отливки, способствующим ускоренному образованию её поверхностного слоя с измельчением структурных составляющих. Незначительное снижение твёрдости ВЧ отливки в целом предложено компенсировать применением медно-магниевых лигатур, пример выплавки которых в условиях литейного цеха описан в статье. Особливість лиття в вакуумовані піщані форми обумовлена впливом вакууму на метал виливка, що сприяє прискореному утворенню її поверхневого шару з подрібненням структурних складових. Незначне зниження твердості виливка з ВЧ в цілому запропоновано компенсувати застосуванням мідно-магнієвих лігатур, приклад виплавки яких в умовах ливарного цеху описаний у статті. The special features of casting into evacuated sand molds is determined by the vacuum influence on the casting metal, that helps to speed up the formation of the surface layer with a refinement of its structural components. There is provided in general to compensate the slight decrease of ductile iron casting hardness by using the copper-magnesium alloys. The example of master alloys smelting under the foundry conditions is described in the article. 2015 Article Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы / В.C. Дорошенко, В.О. Шинский // Металл и литье Украины. — 2015. — № 9. — С. 18-21. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162795 621.74.045 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Особенность литья в вакуумируемые формы обусловлена воздействием вакуума на металл отливки, способствующим ускоренному образованию её поверхностного слоя с измельчением структурных составляющих. Незначительное снижение твёрдости ВЧ отливки в целом предложено компенсировать применением медно-магниевых лигатур, пример выплавки которых в условиях литейного цеха описан в статье. |
| format |
Article |
| author |
Дорошенко, В.C. Шинский, В.О. |
| spellingShingle |
Дорошенко, В.C. Шинский, В.О. Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы Металл и литье Украины |
| author_facet |
Дорошенко, В.C. Шинский, В.О. |
| author_sort |
Дорошенко, В.C. |
| title |
Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы |
| title_short |
Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы |
| title_full |
Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы |
| title_fullStr |
Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы |
| title_full_unstemmed |
Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы |
| title_sort |
особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2015 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162795 |
| citation_txt |
Особенности литья высокопрочного чугуна в вакуумируемые формы / В.C. Дорошенко, В.О. Шинский // Металл и литье Украины. — 2015. — № 9. — С. 18-21. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Металл и литье Украины |
| work_keys_str_mv |
AT dorošenkovc osobennostilitʹâvysokopročnogočugunavvakuumiruemyeformy AT šinskijvo osobennostilitʹâvysokopročnogočugunavvakuumiruemyeformy |
| first_indexed |
2025-07-14T15:17:59Z |
| last_indexed |
2025-07-14T15:17:59Z |
| _version_ |
1837636024885313536 |
| fulltext |
18 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 9 (268) ’2015
и более равномерного их распределения в объёме
металлической матрицы. Изменяя форму графито-
вых включений, их распределение и количество, в
сочетании с рациональным структурированием ме-
таллической матрицы, можно эффективно управлять
конечными свойствами чугуна [1].
Металлическая матрица в значительной степени
определяет механические и эксплуатационные свой-
ства литейных чугунов. Особенно очевидным это
становится в чугунах с шаровидной формой графи-
та – марок ВЧ (ДСТУ 3925-99), где негативная раз-
упрочняющая роль включений как концентраторов
напряжений нивелируется их сферической формой.
Для получения шаровидной графитовой фазы вы-
сокопрочного чугуна используют технологию моди-
фицирования, наиболее широко применяя для этого
модификаторы типа Fe-Si-Mg.
В свою очередь, технология литейной формы су-
щественно влияет на качество отливок, определяет
принципы, которыми следует руководствоваться при
конструировании отливок и выборе оптимального
процесса их производства. Технологична такая кон-
струкция литой детали, при которой можно изгото-
вить отливку, отвечающую требованиям, предъявля-
емым к точности, шероховатости поверхности, физи-
ко-механическим свойствам и структуре металла при
наименьших затратах на производство, включая из-
держки при последующей механической обработке.
В процессе отработки технологии литья из
ВЧ 500-2 (ДСТУ 3925-99) корпусов распределителей
гидросистем экскаваторов провели измерение раз-
меров моделей и отливок, полученных в песчано-
глинистые формы (ПГФ) по-сырому и песчаные ваку-
умируемые формы (ВФ) по ЛГМ-процессу (таблица).
Результаты обмеров свидетельствуют, что отлив-
ки, полученные в ВФ, имеют усадку по всем разме-
рам ~1 %, а отливки, полученные в ПГФ, практически
не отличаются от модели. Измеряли среднюю мас-
су отливки, которая в ПГФ равнялась 93,9±1,2 кг, а
в ВФ 86,4±1,0 кг. Отливки в ПГФ получали с двумя
прибылями, масса металла, ушедшая из прибылей
и стояка (при опускании в них уровня металла по-
сле заливки) на питание таких отливок, составляла
6,4±0,5 кг, что соответствует измеренной разности
П
овышающиеся требования к качеству, рост меха-
нических и эксплуатационных свойств металло-
изделий в машиностроении требуют разработки
новых эффективных способов управления про-
цессами структурообразования при их получении,
так как именно структура материала определяет его
свойства. Однако выбор материалов базируется не
только на критериях соответствия заданным свой-
ствам, но и на экономии материальных и энергетиче-
ских ресурсов в совокупности с экологической безо-
пасностью на всех этапах жизненного цикла изделия,
начиная от производства и заканчивая утилизацией.
Традиционные железоуглеродистые сплавы все ча-
ще заменяются цветными или композиционными
материалами, которые, несмотря на более высокую
стоимость, обладают меньшей плотностью и боль-
шей эксплуатационной стойкостью.
Применяемые в машиностроении Fe-C сплавы –
стали и чугуны – отличаются сравнительно низкой
себестоимостью и высокими потребительскими свой-
ствами, и конкурентоспособность изделий из сталей и
чугунов можно улучшить путем повышения механиче-
ских и эксплуатационных характеристик. В настоящее
время разработано большое количество технологиче-
ских способов, обеспечивающих улучшение свойств
Fe-C сплавов, в большинстве своём они направлены
на совершенствование структуры материалов.
Сравнительный анализ двух основных типов Fe-C
сплавов показывает, что чугун обладает лучшими
литейными свойствами, чем сталь, это позволяет по-
лучать готовые изделия непосредственно из литого
состояния. Зачастую масса деталей из чугуна ни-
же, чем стальных, что объясняется присутствием в
структуре графитовой фазы. Графитовые включения
в структуре чугуна способствуют повышению демп-
фирующей способности, теплопроводности, корро-
зионно- и износостойкости изделий.
Однако графитовая фаза оказывает не только
положительное, но и отрицательное воздействие
на свойства чугуна. Графитовые включения, высту-
пая в роли концентраторов напряжений, ослабляют
металлическую матрицу, уменьшая механические
свойства. Снизить отрицательное влияние включе-
ний графита можно за счёт уменьшения их размеров
УДК 621.74.045
В. C. Дорошенко, В. О. Шинский
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
Особенности литья высокопрочного чугуна
в вакуумируемые формы
Особенность литья в вакуумируемые формы обусловлена воздействием вакуума на металл отливки,
способствующим ускоренному образованию её поверхностного слоя с измельчением структурных
составляющих. Незначительное снижение твёрдости ВЧ отливки в целом предложено компенсировать
применением медно-магниевых лигатур, пример выплавки которых в условиях литейного цеха описан в статье.
Ключевые слова: вакуумируемая форма, высокопрочный чугун, лигатура, модифицирование, вакуум,
точность отливки, сбережение металла
19МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 9 (268) ’2015
Структура ВЧ500-2 отливки моноблочного гидрора-
спределителя по сечению на расстоянии 2,5 мм от поверх-
ности отливки, полученной в ВФ, ×100
Рис. 1.
же значительным содержанием феррита (до 80 %)
с твёрдостью металла не выше 180 НВ при твёрдо-
сти в среднем по сечению стенок отливки – около
200 НВ. Такое сочетание преимущественно фер-
ритной матрицы с мелкими и частыми включениями
графита подробнее описано для тонкостенного ли-
тья в контакте с ВФ и пристеночных слоев чугунных
отливок в статье [4].
Линейная усадка, прошедшая в твёрдом состо-
янии, видна на размерах отливок с применением
ВФ (таблица) и её следует учитывать при изготовле-
нии модели. Разница по массе отливок (средняя мас-
са отливки 93,9 кг при ПГФ) по двум рассмотренным
формовочным процессам до 7,5 кг позволит только
за счёт сокращения расхода жидкого металла сэко-
номить при переходе от ПГФ к ВФ 7,5×1000 / 93,9 ≈
≈ 80 (кг) металла на 1 тонне отливок и ещё позволит
сократить припуски на механообработку с учётом по-
вышения точности отливки.
Рассмотренный пример может служить одним из
аргументов для обоснования необходимости анализа
и идентификации базовых литых конструкций транс-
порта (автотракторного, железнодорожного), трубо-
проводов, нефтехимической промышленности, гор-
но-обогатительного комплекса с разработкой много-
уровневой структуры определения и прогнозирования
эксплуатационных характеристик таких базовых ли-
тых конструкций, а также создания структуры и пара-
метрических признаков по оптимизации эффективных
технологических процессов, направленных на получе-
ние точных отливок малой металлоёмкости с прогно-
зируемыми потребительскими характеристиками.
Другим важным направлением литья из ВЧ яв-
ляется разработка новых технологических методов
рационального модифицирования и легирования
чугуна для получения требуемых размеров и формы
графитовых включений, а также структуры металли-
ческой матрицы. При таком подходе удаётся за счёт
использования методов рационального структуриро-
вания нивелировать роль графитовых включений, как
концентраторов напряжений в чугуне. Исследования
в этой области открывают широкие перспективы для
получения изделий из рационально структурирован-
ных литых чугунов, которые могут достойно конкури-
ровать с конструкционными сталями [1].
Недостатками широко применяемых модифика-
торов ЖКМК – легковесных сплавов – для ковшо-
вой сфероидизирующей обработки чугуна является
их склонность к всплыванию в открытом ковше со
значительными газовыделениями и пироэффектом
от горения магния. При этом происходит выгорание
магния, и наблюдается склонность к шлакованию
этих модификаторов при температуре чугуна ниже
масс отливок, полученных в сравниваемых формах.
При этом расширение полости ПГФ в контакте с жид-
ким и затвердевающим металлом происходит, пре-
жде всего, благодаря миграции воды в толщу формы
по известному механизму создания переувлажнён-
ной зоны малой прочности, частичной деструкции
связующего, давлению столба металла и действию
предусадочного расширения ВЧ. Поэтому линейная
усадка, как разница средних размеров моделей и от-
ливок, практически отсутствовала при ПГФ.
Отливки в ВФ получали без прибылей, которые
заменили выпорами [2, 3]. Благодаря прочности
уплотнённого вибрацией до максимальной плотно-
сти сухого вакуумируемого песка стенки ВФ не де-
формируются при контакте с металлом от его ме-
таллостатического давления и предусадочного рас-
ширения. Благодаря присасывающему действию
вакуума формы на металл практически исчезает га-
зовый зазор между металлом и формой и ускоренно
образуется корка толщиной 6-8 мм. Её прочность и
прочность формы способствуют удержанию без рас-
ширения отливки в ускоренно образуемой внешней
металлической оболочке при затвердевании боль-
шей части металла в центральных частях стенок от-
ливки. На момент полного затвердевания предуса-
дочным расширением ВЧ, связанным с выделени-
ем графита, компенсируются усадочные процессы,
связанные прежде всего с усадкой жидкой фазы,
обеспечивая затвердевания отливки без усадочных
раковин и пористости.
Указанная выше особенность – ускоренное за-
твердевание поверхностного слоя отливки, иногда
на глубину её стенки до 8 мм, в результате воздей-
ствия вакуума на металл закономерно отражается
на структуре поверхностного слоя (рис. 1), которая
характеризуется в 4-5 раз более мелкими включени-
ями графита, чем в среднем по телу отливки, а так-
Размеры отливок корпусов распределителей, полученных в ПГФ и ВФ
Размеры, мм
Линейная усадка, мм
отливки по
чертежу
модели отливки, полученной
металлические
для ПГФ
пенополисти-
роловые для ВФ в ПГФ в ВФ в ПГФ в ВФ
516±2,5
312±2,0
141±1,5
518,1±0,5
312,4±0,5
140,8±0,3
518,8±0,5
313,0±0,5
141±0,3
517,8±1,5
311,0±1,2
142,7±1,0
513,1±1,0
309,7±1,0
140,0±0,8
Практически
отсутствует
5,0±1,5
3,3±1,5
1,5±1,1
20 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 9 (268) ’2015
1440 °С. Также имеет недостатки и автоклавный спо-
соб ковшового модифицирования чугуна – случаи
неоднородности металла по степени сфероидизации
графита, значительную продолжительность обработ-
ки и разливки чугуна небольшими ковшами, помеща-
емыми в автоклавы.
При разработке состава и технологии примене-
ния лигатуры было изучено влияние элементов (%):
0,2-1,5 Mn; 0,03-1,5 Cu; 0,02-0,05 Sn на микроструктуру
(количество и форму включений графита, содержание
перлита) и механические свойства ЧШГ химического со-
става (%): 3,4-3,7 С; 2,4-2,8 Si; 0,01-0,015 S; 0,025-0,1 Р;
0,03-0,05 Мg; железо – остальное. Установлено, что
марганец, медь и олово улучшают форму включений
графита, медь – эффективнее, чем олово, способ-
ствует увеличению количества зародышей графита,
что стимулирует графитизацию металла в жидком со-
стоянии, тем самым понижая дефицит питания отлив-
ки и возможность образования усадочных дефектов.
Содержание марганца выше 0,5 % уменьшает количе-
ство зародышей графита. Перлитную структуру ЧШГ
обеспечивает содержание 1 % Cu или 0,08 % Sn, либо
0,4 % Mn и 0,6 % Cu [5], что весьма желательно для
литья в ВФ, при котором отливки из ВЧ обычно имеют
твёрдость на 10-15 НВ ниже, чем при ПГФ. Медь спо-
собствует улучшению механических свойств ЧШГ, при
содержании 1,5 % Cu получен ЧШГ марки ВЧ700-2
в отливках без термообработки. Марганец и олово
оказывают меньшее влияние на механические свой-
ства ЧШГ, чем медь, т. к. добавка марганца приводит
к укрупнению зерна перлита, а добавка олова – к его
микроликвации по границам зерен [6].
Лигатуру изготавливали в литейном цехе её
применения путём расплавления катодной меди
М1к (ГОСТ 546-88) в индукционной печи с последу-
ющим перегревом до 1160-1200 °С. Затем в тигель
добавляли кусковой металлический магний Мг95
(ГОСТ 804-93) – вводили через зеркало металла,
присыпанное слоем древесного угля или графито-
вой стружки толщиной 20-30 мм. Количество маг-
ния рассчитывали из потребности содержания его
в лигатуре при усвоении в расплаве меди 90-95 %.
После усвоения магния лигатуру разливали в пло-
ские чугунные изложницы.
Медно-магниевая лигатура состава 95 % Cu и
5 % Мg имеет температуру плавления до 900 °С,
что позволяет ей легко растворяться в чугуне при
модифицировании, не требуется её мелкого дробле-
ния [5, 6]. Наиболее простое по операциям примене-
ния и с меньшей трудоёмкостью, чем внутриформен-
ное, ковшовое модифицирование имеет преимуще-
ство – перед заливкой в форму можно взять пробу из
ковша и экспресс-анализом определить химический
состав чугуна и, в частности, критическое содержание
модифицирующих элементов. Совершенствованием
также способов термического экспресс-анализа чу-
гуна активно занимается группа учёных ФТИМС НАН
Украины под руководством Э. В. Захарченко.
Кроме того, изготавливали лигатуру следу-
ющего состава (%): 60 Cu; 5 Мg; 10 ФС30РЗМ30
(ТУ 14-5-138-81); 15 ферромарганца ФМн75
(ГОСТ 4755-91), 10 стальной обрези. При выплавке
этой лигатуры в шихту добавляли медь и сталь, по-
сле расплавления в металл – ферромарганец, мо-
дификатор с РЗМ, а перед разливкой – магний [6].
Эта комплексная лигатура экономит медь, за счёт
добавок РЗМ повышает надёжность сфероидизации
графита путём связывания элементов-демодифика-
торов, неконтролируемых по химическому составу, в
шихте чугуна.
Модифицирование чугуна лигатурами в количе-
стве 1,5-1,7 % производят в открытом ковше. Лигату-
ры имеют удельный вес, близкий к чугуну, в отличие
от широко применяемых кремниевых составов типа
ЖКМК. Это затрудняет их всплывание на поверх-
ность чугуна при модифицировании. Усвоение маг-
ния составляет свыше 70 %. Для модифицирования
не требуется высокий перегрев чугуна. Разливку в
формы можно вести при температуре ниже 1300 °С,
что применимо для толстостенных отливок без при-
менения прибылей [2, 3], в частности, отливок ги-
дрораспределителя из ВЧ500-2 (рис. 2). Процесс
модифицирования сопровождается весьма незначи-
тельными выделениями газов, что существенно улуч-
шает условия труда – предотвращает загазованность
литейного цеха. В большинстве случаев ускоряется
процесс модифицирования и разливки металла, по-
вышается производительность плавильных участков,
не требуется мелкого дробления модификаторов, их
пригрузки в ковше, специальных закрытых ковшей.
Лигатуры на основе меди внедрены на ряде маши-
ностроительных предприятий СНГ, в том числе для
получения отливок без прибылей в песчаных ВФ с ис-
пользованием указанных способов.
На рис. 2 показаны примеры отливок из вы-
сокопрочного чугуна, полученные в ВФ: отливка
Примеры отливок из высокопрочного чугуна, полученные в ВФ: отливка моноблочного гидрораспределителя из
ВЧ500-2, а также модель и отливка головки блока цилиндров из ВЧ450-5
Рис. 2.
21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 9 (268) ’2015
1. Макаренко К. В. Рациональное структурирование графитизированных чугунов / К. В. Макаренко // Труды НГТУ
им. Р. Е. Алексеева. – 2014. – № 2. – С. 196-205.
2. А. с. 1694316 СССР: МКИ В22С 9/02. Способ изготовления отливок из чугуна с шаровидным графитом / В. С. Дорошен-
ко, Н. И. Шейко. – Опубл. 1991, Бюл. 44.
3. А.с. 1792791 СССР: МКИ В22С 9/02. Способ получения отливок без прибылей из чугуна с шаровидным графитом в
вакуумно-пленочных формах / В. С. Дорошенко, Н. И. Шейко. – Опубл. 1993, Бюл. № 5.
4. Дорошенко В. С. Литье металлополосы по газифицируемой пленке на вакуумируемом валке / В. С. Дорошенко // Ме-
таллургия машиностроения. – 2013. – № 6. – С. 24-28.
5. Гербер В. С. Сфероидизирующие лигатуры на основе меди в производстве высокопрочного чугуна / В. С. Гербер,
В. С. Дорошенко, Б. С. Микита // Тяжёлое машиностроение. – 1992. – № 6. – С. 29-30.
6. Гербер В. С. Применение безавтоклавной технологии модифицирования чугуна с шаровидным графитом / В. С. Гер-
бер, В. С. Дорошенко // Информационный сборник. – М.: ЦНИИстроймаш, 1990. – Вып. 2 – С. 13-14.
ЛИТЕРАТУРА
Особливість лиття в вакуумовані піщані форми обумовлена впливом вакууму на метал виливка, що сприяє
прискореному утворенню її поверхневого шару з подрібненням структурних складових. Незначне зниження твердості
виливка з ВЧ в цілому запропоновано компенсувати застосуванням мідно-магнієвих лігатур, приклад виплавки яких в
умовах ливарного цеху описаний у статті.
Дорошенко В. C., Шинський В. О.
Особливості лиття високоміцного чавуну в вакуумовані формиАнотація
Ключові слова
вакуумована форма, високоміцний чавун, лігатура, модифікування, вакуум, точність ви-
ливка, заощадження металу
Doroshenko V., Shinskiy V.
Special features of ductile iron casting into evacuated moldsSummary
The special features of casting into evacuated sand molds is determined by the vacuum influence on the casting metal, that
helps to speed up the formation of the surface layer with a refinement of its structural components. There is provided in general
to compensate the slight decrease of ductile iron casting hardness by using the copper-magnesium alloys. The example of
master alloys smelting under the foundry conditions is described in the article.
evacuated mold, ductile iron, alloys, modification, vacuum, precision casting, saving metalKeywords
Поступила 24.06.2015
моноблочного гидрораспределителя из ВЧ500-2, а
также модель и отливка головки блока цилиндров
из ВЧ450-5.
Рассмотренные примеры литья ВЧ в ВФ и выплав-
ки тяжеловесной лигатуры для ковшового модифици-
рования одновременно с перлитизацией структуры
ВЧ относятся к малозатратным литейным техно-
логиям. Литьё в ВФ, в свою очередь, обеспечивает
удаление газов из контактной зоны «металл-форма»
сквозь песчаную среду формы и систему вакууми-
рования на последующую их очистку, что в совокуп-
ности описанным модифицированием с низкой газо-
творностью тяжеловесной лигатурой улучшает эко-
логическую культуру литейного производства.
|