Литье чугуна с поверхностным отбелом

Характерной особенностью отбеленного литья является наличие на поверхности и прилегающей к ней зоне отбеленного слоя той или иной глубины, в котором углерод почти, полностью находится в виде цементита. Эта структурная составляющая обеспечивает основное требование, предъявляемое к отбеленному литью. — сопротивление износу поверхности Но так как большинство деталей работают в условиях значительных ударных нагрузок и высоких температур, то они должны иметь и достаточную вязкость.

Для достижения этого необходимо, чтобы сердцевина отливки имела, перлитно-графитную структуру.

Переход от отбеленного поверхностного слоя к сердцевине должен быть плавным для того, чтобы предотвратить расслаивание отливки в процессе работы. Следовательно, структура отливки должна состоять из поверхностного отбеленного слоя (перлит-цементит) переходной зоны (перлит-цементит-графит) и сердцевины (перлит-графит).

Твердость отбеленного литья пропорциональна содержанию углерода, в чугуне.

Степень и глубина отбеленного слоя зависят от многих факторов производственного характера и в первую очередь от химического состава и структуры чугуна, условий его выплавки, степени перегрева, материала формы, окраски ее поверхности и т. п.

Из химических элементов, входящих в состав чугуна, наиболее важное значение имеют углерод и кремний.

Глубину отбела можно регулировать изменением содержания кремния, особенно в том случае, когда общее содержание углерода относительно невелико. Аналогичное, но более эффективное влияние на глубину закалки по сравнению с кремнием оказывает алюминий, однако добавка его резко снижает литейные свойства чугуна.

Что касается серы, то, уменьшая общую растворимость углерода в железе, она незначительно понижает  степень отбела и, вместе с тем, как стабилизатор карбида резко увеличивает глубину отбела.

Гораздо более эффективно, просто и надежно применение теллура, увеличивая в большей степени, чем сера, глубину отбела, теллур уменьшает переходную зону и обеспечивает получение мягкой центральной зоны отливки. При этом теллур в противоположность сере не вызывает пороков на поверхности отливки даже при присадке его в металл перед самой заливкой.

Теллур присаживается в ковш в количестве 0,0003—0,0006% за 3-8 мин до заливки форм.

Фосфор повышает твердость отбеленного слоя, но при увеличении содержания фосфора глубина отбеленного слоя уменьшается.

Наибольший эффект по повышению твердости дает наряду с углеродом присадка 4,5% никеля. Отливки, полученные из таких чугунов. оправдали себя при холодной и горячей прокатке. Главнейшие достоинства их — большая продолжительность службы, незначительный износ, более высокая твердость, высокая глянцевитость изделий и малые потери на трение.

Кроме химического состава, на отбеливаемость, т. е. степень и глубину отбела значительное влияние оказывают также способ выплавки, род топлива и марки чугунов в шихтовке: древесноугольные чугуны нормальной выплавки придают расплаву наилучшую отбеливаемость; коксовые чугуны, наоборот — наихудшую отбеливаемость.

Металл для отбеленных отливок ранее выплавлялся почти исключительно а вагранке, а в последнее время для этой цели используются также и электропечи и печи индукционного нагрева. Химический состав и глубина отбела колеблются в широких пределах соответственно различным областям применения отливок.

Например прокатные валки с отбеленной поверхностью изготовляются двумя способами.

Первый способ состоит в том, что валок отливается с гладкой цилиндрической бочкой, а профиль ручья калибруется механическим способом. Такое, изготовление валка имеет существенные недостатки. Особенно при глубоких ручьях, так как часть этих ручьев попадает в переходный слой, увеличивать же глубину отбеленного слоя свыше 60 мм вообще не рекомендуется.

Второй способ производства высокостойких валков с отбеленными ручьями представляет из себя заливку в составной кокиль. Такой кокиль делается сборным из ряда свободно подвешенных колец для того, чтобы не препятствовать усадке валка. Подвеска колец и создание податливости формы достигают  при помощи деревянных прокладок между ними. В промышленности нашли широкое применение двухслойные валки, состоящие из стальной или чугунной сердцевины и отбеленного поверхностного слоя.

Способы отливки двухслойных валков следующие.

• Отдельная отливка внутреннего слоя (сердцевины) валка с последующей отливкой наружного слоя.  Этот способ не получил распространения из-за сложности  технологического процесса изготовления валков и частого отслаивания наружного слоя от сердцевины.
• Наружный слой отливают отдельно, затем полученный полый цилиндр вставляют в форму, подогревают электричеством и сердцевину заливают мягким чугуном. Недостатки этого  способа те же,   что и у первого способа.
• Одновременная отливка наружного слоя и сердцевины валка с применением слоеразделительной трубы. Недостатки такие же, как у второго способа.
• Одновременной заливкой наружного слоя легированным чугуном и сердцевины высокопрочным чугуном достигается прочное сплавление слоев. Этот способ также не получил распространения, так как требует механизации, удаления слоеразделительной трубы.
• Способ промывки. Валок заливается белым чугуном, но прежде чем он полностью затвердеет его незастывшую часть вытесняют («промывают») серым чугуном. Белый чугун заливается на 1/3 высоты шейки валка; после выдержки в течение 30—140 сек, необходимой для затвердевания белого чугуна, заливается серый чугун. Этот способ получил широкое распространение, хотя требует двух одновременно работающих плавильных агрегатов.
• Отливка способом полупромывки — способ, получивший также широкое распространение. Расплавленный белый чугун заливается в форму валка до начала верхней шейки. Затем через 30—90 сек. в зависимости от размера валка из того же ковша продолжают заливку тонкой струей; одновременно в литниковую чашу вводится мелкораздробленный модификатор. Иногда модификатор вводится в ковш. Указанный способ применяется при литье валков из чугуна, обработанного в ковше магнием. Этот способ экономичен, не требует излишних порций чугуна на промывку и дополнительного плавильного агрегата.

Отливками с поверхностным отбелом являются таккже колесные пары вагонов.

Устранение внутренних напряжений в колесе достигается термической обработкой; отлитые колеса после выбивки из опок помещаются в томильные колодцы, предварительно разогретые до температуры 450—500°. На Уральском заводе установлен несколько иной процесс томления: колеса из выбивного отделения поступают в первичные колодцы (подогретые до температуры не свыше 450°, в зимнее время до 500—550°) при температуре 800°. После 2 час., когда температура выровняется, температура в колодце должна быть в пределах 740—760°. Через сутки колеса перегружаются во вторичные колодцы, причем температура колес при выходе из первичного колодца 500—550°; еще через сутки колеса перегружаются в третичные колодцы; затем колеса передаются на выдержку в течение суток.

В процессе томления снимаются внутренние напряжения, улучшается структура диска и распадается цементит.

Мелкие детали

Кроме валков и вагонных колес с отбеленной поверхностью, отливаются и другие детали, например шайбы для дисковых сошников, зерновых и зернотравяных сеялок. Высокая твердость (400—600) целого чугуна обеспечивает хорошее сопротивление износу рабочих поверхностей конусов при мягкой сердцевине с достаточной вязкостью и прочностью опорной поверхности шайбы, которая подвергается сверлению и клепке совместно с диском сошника. Заливка производится в безопочных формах с кокилями.

Чугунные кокили устанавливаются непосредственно в модели, благодаря чему достигаются соосность конусов и параллельность опорной поверхности шайбы с плоскостью пересечения конусов Кокили выдерживают 500—600 съемов, после чего возможна переточка для повторного использования.

Применение кокилей позволяет получать точные чистые отливки, имеющие более жесткие предельный отклонения размеров, чем по ГОСТ. Из отбеленного же низколегированного хромо-никелевого чугуна отливаются шары для цементной мельницы.

Твердость отлитых шаров колеблется в пределах 440—514. Отливка шаров производится на кокильной машине.