Л.Б. Долгополова, А.А. Филиппенков

 

УДК 669.14.018

Производство стальных отливок: Учебник для вузов / Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. и др./ Под ред. Л.Я. Козлова. — М.: ∙ МИСИС ∙, 2003. — 352 с.

 

В учебнике даны основные характеристики стальных отливок, их хи­мический состав, физические, механические и специальные свойства, области применения. Приведена классификация стальных отливок. Боль­шое внимание уделено процессам выплавки различных сталей, подго­товки расплавов к кристаллизации и формированию структуры отливок. Рассмотрены основные литейные свойства сталей и их влияние на каче­ство отливок, условия возникновения и развития ликвации, образования неметаллических и газовых включений, усадочных раковин и пор, внут­ренних напряжений и трещин. Обсуждены меры по их предотвращению или снижению негативного воздействия на качество отливок. Изложены особенности литниково-питающих систем при изготовлении стальных отливок, методы их расчета.

Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по специ­альности «Литейное производство черных и цветных металлов». Может быть использован инженерно-техническими работниками исследователь­ских организаций и заводов.

Ил. 135. Табл. 59. Прил. 25. Библиогр. список: 53 назв.

 

 

Федеральная целевая программа «Культура России»

(подпрограмма «Поддержка полиграфии

и книгоиздания России»)

 

ISBN 5-87623-119-3 © Козлов Л.Я., Колокольцев В.М.,

Вдовин К.Н. и др.; «МИСИС, 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

Предисловие ……………………………………………………………………………….. 6

Введение …………………………………………………………………..………………... 8

 

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ ……………….. 12

1.1. Классификация стальных отливок ……………………………………………. 12

1.2. Маркировка стальных отливок ………………………………………………. 13

1.3. Роль элементов, входящих в состав сталей, в формировании

структуры и свойств............................................................................................ 14

1.3.1. Влияние постоянных примесей на свойства сталей ………………………... 14

1.3.2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства
структурных составляющих в стали ………………………………………… 17

1.3.3. Выбор легирующих элементов для получения заданной структуры

стали в отливках ………….…………………………………………………… 28

1.4. Отливки из конструкционных нелегированных и легированных сталей.. 30

1.4.1. Назначение и области применения конструкционных сталей …………….. 30

1.4.2. Химический состав и механические свойства конструкционных

сталей …………………………………………………………………………… 33

1.4.3. Определение механических свойств сталей …………………………………. 37

1.5. Отливки из легированных сталей со специальными свойствами ………….. 50

1.5.1. Назначение и области применения легированных сталей

со специальными свойствами ………………………………………………... 41

1.5.2. Химический состав и механические свойства легированных

сталей со специальными свойствами ………………………………………… 49

1.5.3. Характеристика специальных свойств легированных сталей ……………... 51

1.6. Отливки из хладостойкой стали …………………………………………….… 59

1.6.1. Назначение хладостойких сталей ………………………………………….… 61

1.6.2. Химический состав и механические свойства хладостойких

сталей ………………………………………………………………………….… 62

1.7 Отливки из инструментальной стали ………………………………………… 62

1.8 Физические свойства литых сталей ………………………………………….… 70

1.9 Термообработка стальных отливок …………………………………………… 73

1.9.1 Виды термообработки ………………………………………………………….. 73

1.9.2. Влияние вида термической обработки на свойства сталей............................ 75

Контрольные вопросы …………………………………………………………………….. 80

 

Глава 2. ПЛАВКА СТАЛЕЙ И ПОДГОТОВКА РАСПЛАВОВ

К КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ……….…………………………………………………………….. 82

2.1. Шихтовые материалы для выплавки стали ………..………………………. 82

2.2. Выбор плавильного агрегата. Классификация процессов

и их общая характеристика ……………………………………………………. 87

 

 

2.3. Плавка стали в дуговых печах ……………………………………………….…. 91

2.3.1. Общие положения ………………………………………………………….…..... 91

2.3.2. Плавка стали основным процессом ………………………………………….. 94

2.3.3. Плавка стали кислым процессом …………………………………………….. 101

2.3.4. Технико-экономические показатели плавки стали в дуговых
сталеплавильных печах ……………………………………………….………... 103

2.3.5. Плавка стали в дуговых печах постоянного тока ………………….……….. 104

2.4. Плавка стали в индукционных печах ………………………………….…….… 105

2.5. Специальные способы выплавки стали ……………………………….…….… 110

2.6. Раскисление стали........................................................................................... 115

2.7. Внепечная обработка стали ……………………………………………..…….. 120

2.8. Расчет шихты …………………………………………………………….……… 127

2.9. Разливка стали …………..…………………………………………….………….. 139

2.9.1. Характеристика разливочных ковшей ……………………………………….. 139

2.9.2. Определение температуры заливки ………………………………………….... 143

2.9.3. Определение температуры выпуска стали из печи …………………………… 143

2.10. Огнеупорные материалы для футеровки сталеплавильных печей

и ковшей для разливки металла …………………………………..…….……... 144

Контрольные вопросы …………………………………………………………..…….……. 149

 

Глава 3. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЖИДКОЙ СТАЛИ. ПРОЦЕССЫ
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ОТЛИВОК ……………. 150

3.1. Структура расплавов стали ……………………………………………….…… 150

3.2. Кристаллизация и формирование структуры стальных отливок ……….…… 158

3.3. Ликвация стали в отливках ……………………………………………….…… 163

3.4. Модифицирование структуры отливок …………………………………….…. 168

3.4.1. Сущность процесса, виды модифицирования …………………………….…. 168

3.4.2. Влияние модифицирования на механические и специальные

свойства сталей ……………………………………………………………….… 171

Контрольные вопросы ………………………………………………………………….…... 173

 

Глава 4. ГАЗОВЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ ………………….….... 174

4.1. Эндогенные газовые включения …………………………………………..….….

4.1.1. Растворимость газов в металле …………………………………………….….. 174

4.1.2. Водород в стали и отливках ……………………………………………....…… 176

4.1.3. Азот в стали и отливках ……………………………………………………….. 177

4.1.4. Механизм образования эндогенных газовых включений и меры

по их предотвращению ………………………………………………………… 180

4.2. Экзогенные газовые включения в стальных отливках ……………………….. 181

4.2.1. Источники газов в форме и механизм образования экзогенных
газовых дефектов …………………………………………………………………. 181

4.2.2. Меры по предотвращению образования экзогенных газовых
включений ……………………………………………………………………….. 184

Контрольные вопросы …………………………………………………………………….... 185

 

Глава 5. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В ОТЛИВКАХ …………………….…. 186

5.1. Характеристика включений …………………………………………………..… 86

5.2. Эндогенные неметаллические включения ………………………………….…… 90

5.3. Удаление эндогенных неметаллических включений …………………………..

5.4. Экзогенные неметаллические включения ………………………………………..

5.5. Предотвращение образования экзогенных неметаллических

включений................................................................................................................

Контрольные вопросы ……………………………………………………………………..

 

Глава 6. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛИ ……………………………………………….

6.1. Жидкотекучесть стали и заполняемость литейной формы …………………

6.2 Усадка стали ………………………………………………………………………

6.2.1. Объемная усадка...........................................................................................

6.2.2. Линейная усадка ……………………………………………………………………

6.3. Литейные напряжения в стальных отливках …………………………………..

6.4. Коробление отливок ……………………………………………………………..

6.5. Трещины в отливках ……………………………………………………………

6.5.1. Горячие трещины ………………………………………………………………..

6.5.2. Расчет стойкости стальных отливок против образования

горячих трещин ………………………………………………………………….

6.5.3. Основные технологические меры по предотвращению

горячих трещин в отливках ……………………………………………………

6.5.4. Холодные трещины в отливках и меры по их предотвращению …………….

Контрольные вопросы ………………………………………………………………………

 

Глава 7. ПРИБЫЛИ И ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ……………………………………

7.1. Прибыли ………………………………………………………………………

7.1.1. Назначение прибылей ……………………………………………………………..

7.1.2. Классификация прибылей ……………………………………………………..

7.1.3. Расчет прибылей ………………………………………………………………..

7.2. Литниковые системы ……………………………………………………………

7.2.1. Назначение литниковой системы и ее элементов ………………………………

7.2.2. Требования к литниковым системам …………………………………………

7.2.3. Классификация литниковых систем …………………………………………..

7.2.4. Конструирование и выбор литниковой системы …………………………….

7.2.5. Расчет литниковых систем …………………………………………………….

Контрольные вопросыi ……………………………………………………………………..

Глава 8. ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК ……………………………………………………………………

8.1. Несоответствие по геометрии ………………………………………………..

8.2. Дефекты поверхности …………………………………………………………..

8.3. Несплошности в теле отливки ………………………………………………..

8.4. Контроль качества стальных отливок ……………………………………………

Контрольные вопросы ……………………………………………………………………..

 

РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ……………….…

ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………………….

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Учебник «Производство стальных отливок» подготовлен коллективом авторов, работающих в Магнитогорской Горно-металлургической ака­демии, Московском государственном институте стали и сплавов (Техноло­гическом университете) и Уральском институте металлов. Он написан в соответствии с учебной программой по специальности 110400 «Литейное производство черных и цветных металлов». При подготовке учебника ис­пользованы опыт преподавания курса на кафедрах, выпускающих инжене­ров указанной специальности и входящих в Учебно-методическое объеди­нение (УМО) по образованию в области металлургии, а также материалы монографий, различных справочников и учебно-методических пособий, написанных сотрудниками ЦНИИТМАШ и других научно-исследова­тельских организаций и вузов.

Содержание всех разделов учебника неоднократно обсуждалось на за­седаниях научно-методического совета специальности 110400 УМО. Актив­ную помощь в формировании содержания учебника оказали проф., д. т. н. Б. А. Кулаков (ЮУТУ), проф., д. т. н. Ри Хосен (ХТУ), проф., д. т. н. Р. К. Мы­сик (УТУ), проф., д. т. н. М. А. Иоффе (Сев.-Зап. ЗПИ), проф. А. А. Жуков и проф., д. т. н. А. А. Шатульский (РГАТА), проф. И. В. Грузных, проф., д. т. н. Л. И. Мамина, проф., д.т.н. А. А. Щетинин (ВТУ), проф. Е. Г. Савченко (МГВМИ), проф., д.т.н. Д. Н. Худокормов и др.

Учебник состоит из 8 глав и 25 приложений.

В первой главе приведены основные характеристики и области приме­нения стальных отливок, их классификация, маркировка литейных сталей по ГОСТ. Рассмотрена роль различных элементов в формировании струк­туры и свойств конструкционных и легированных сталей со специальными свойствами. Показано, что окончательное формирование механических и специальных свойств достигается выбором термической обработки отли­вок. Изменяя режимы термообработки одной и той же стали, можно полу­чить разные по уровню механические и эксплуатационные свойства, что по­зволяет изготавливать различные отливки из одной стали и в конечном итоге снижает себестоимость отливок.

Вторая и третья главы содержат сведения о способах выплавки, типах печей, методах расчета шихты и внепечной обработки расплавов. Кратко изложены строение и свойства жидкой стали и особенности формирования структуры отливок в зависимости от химсостава стали и других технологи­ческих факторов (вида формы, конфигурации отливок и т. д.).

В четвертой и пятой главах рассмотрены процессы формирования газо­вых и неметаллических включений в стальных отливках, причины возникновения и меры по их предотвращению. В этих главах использованы данные проф. Я. И. Медведева и чл.- корр. РАН Ю.А. Шульте.

 

 

В шестой главе изложены литейные свойства стали, показано их влияние на качество отливок. Рассмотрены методы определения жидкотекучести, формозаполняемости, объемной и литейной усадки, внутренних напряжений, трещиноустойчивости, преимущества и недостатки различных методов. Приведен расчет стойкости стальных отливок против образова­ния горячих трещин, предложенный

проф. И. В. Грузных.

В седьмой главе рассмотрены особенности литниково-питающих сис­тем при производстве стальных отливок, классификация литниковых сис­тем и прибылей, приведены области их применения и расчеты.

В восьмой главе кратко изложена информация о наиболее часто встре­чающихся дефектах в стальных отливках, их классификации и методах пре­дупреждения и предотвращения, а также способах контроля качества отли­вок и областях их надежного использования.

В приложениях приведены справочные данные практически по всем раз­делам учебника, облегчающие усвоение материала и чрезвычайно полезные инженерам-литейщикам в их производственной деятельности.

Авторы приносят свою глубокую благодарность профессорам и препо­давателям родственных кафедр за критические замечания по отдельным гла­вам учебника и разумные предложения, которые были учтены при его напи­сании.

Особую признательность авторы выражают к. т. н. С. В. Картошкину и инженеру Е. Е. Миролюбовой за помощь в подготовке рукописи учебника к изданию.

Авторы с благодарностью примут все замечания по содержанию учеб­ника, трактовке отдельных положений и учтут их при подготовке следую­щего издания.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Сталью называют сплав железа с углеродом до 2% и другими эле­ментами. В практике обычно используют стали с содержанием углерода до 1, 5%.

В отличие от других сплавов стали обладают высокой прочностью и пластичностью, что обусловливает их широкое применение в различ­ных отраслях промышленности. Ежегодно в мире производится около 6—7 млн т стальных отливок, что составляет ~9% от общего выпуска литья. Динамика производства стальных отливок в мире и странах — основных производителях литья представлена на рис. I и II.

В странах, имеющих районы с холодным климатом (США, Китай, Россия), объем производства стального литья выше, чем в странах с уме­ренным климатом (рис. II). Особенно высок удельный вес стальных от­ливок в производстве тракторов, дорожных, транспортных, сельскохо­зяйственных машин, в металлургии, строительстве, теплоэнергетике. Многие отливки работают в сложных условиях совместного действия высоких нагрузок, низких или высоких температур, агрессивных сред.

Широкое использование стальных отливок обусловлено рядом об­стоятельств, среди которых:

 

 

 

8

 

- сравнительно равномерная структура в различных сечениях литой детали, что обеспечивает изотропность свойств;

- высокий уровень пластических свойств, обеспечивающих эксплуатацию литых изделий в широком температурном интервале;

- хорошая свариваемость, что позволяет получать сварно-литые из­делия любой сложной формы и большой массы, а также проводить их ремонт и восстановление;

- экономичность и эффективность изготовления сложных по кон­струкции отливок;

широкие возможности автоматизации изготовления отливок.

Для получения высококачественных отливок необходимо знать осо­бенности процессов структурообразования литой стали, влияние на них процессов плавки, легирования, модифицирования, термической обра­ботки, скорости охлаждения в формах и многих других факторов. Изу­чение этих процессов, как правило, осуществляется с помощью диаграм­мы состояния системы Fe—Fe₃C (рис. III), а также более сложных диаграмм.

Формирование свойств отливок начинается уже на стадии приготов­ления качественного жидкого расплава сталей. Поэтому все большее внимание литейщики уделяют применению современных плавильных агрегатов и процессов, позволяющих получать сталь необходимого состава и требуемых свойств (электродуговая плавка, электрошлаковое литье, вакуумно-дуговой переплав и др.)

 

 

 

Легирование и модифицирование позволяет экономно и эффективно управлять свойствами литейных сталей и отливок из них.

Применение в этой области физических методов исследования дало возможность существенно продвинуться в учении о легировании стали. Плодотворным оказалось также изучение роли легирующих элементов в сталях с учетом их положения в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, физико-химического взаимодействия их между собой и железом.

 

 

Выявление взаимосвязи между структурой и свойствами стали яв­ляется одной из главных задач теории легирования. Для грамотного выбора состава стали необходимо знать влияние легирующих элемен­тов на структурные, кристаллографические, физические, механические и другие ее характеристики. Комплексное легирование дает больший эффект, чем легирование одним или двумя элементами в большом коли­честве.

Модифицирование — простой и универсальный способ улучшения литой структуры и повышения свойств отливок. При этом, как правило, не требуется дополнительного дорогостоящего оборудования. Малые количества элементов-модификаторов, вводимые в расплав стали, улуч­шают структуру, технологические и эксплуатационные свойства сталь­ных отливок. В настоящее время модифицирование нашло широкое применение при изготовлении отливок ответственного и особо ответ­ственного назначения.

Немаловажными в получении высококачественных отливок являются литейные свойства сталей — это их основные технологические характе­ристики. Под литейными свойствами понимают определенную совокуп­ность физических, теплофизических, физико-химических свойств и процессов, проявляющуюся на различных этапах получения отливок и оказывающую непосредственное влияние на их качество.

Большое внимание уделено рассмотрению структуры, свойств и об­ластей применения отливок из углеродистых и легированных сталей, а также процессам их плавки и кристаллизации отливок, литейным свой­ствам, основам легирования, микролегирования и модифицирования, механизмам образования различных дефектов в отливках и мерам по их предотвращению или устранению.

 

 

Глава 1

 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. А.И. Черевко, М.Л. Ивлев, А.А. Федотова
2. Валишин А.А., Ожерелкова Л. М.
3. Лингвистическая концепция А.А. Потебни
4. Напишите сочинение-рассуждение, раскрывая смысл высказывания русского лингвиста А.А.Зеленецкого: «Придание образности словам постоянно совершенствуется в современной речи посредством эпитетов».
5. Напишите сочинение-рассуждение, раскрывая смысл высказывания русского лингвиста А.А.Зеленецкого:«Придание образности словам постоянно совершенствуется в современной речи посредством эпитетов».
6. Под редакцией А.А. ЯЛБУЛГАНОВА
7. Шевченко Н.М., Гросу А.А. (1993)