Основы получения отливок из сплавов на основе железа

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ  ПОЛУЧЕНИЯ  ОТЛИВОК 
ИЗ  СПЛАВОВ  НА  ОСНОВЕ  ЖЕЛЕЗА 
 
 
Рекомендовано Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана» 
в качестве учебного пособия для студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 150400.62 «Металлургия», 17.06.2013 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2014 

УДК 669.112(07) 
ББК 34.222я73 
         О-753  
 
 
 
 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
О-753        Основы получения отливок из сплавов на основе железа : 
учеб. пособие / А. И. Булгакова, Т. Р. Гильманшина, В. Н. Баранов,              
Т. Н. Степанова. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 220 с. 
ISBN 978-5-7638-2926-6 
 
В учебном пособии рассмотрены особенности кристаллизации сплавов  
на основе железа, а также технологические, литейные и эксплуатационные свойства чугуна и стали.  
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 
150400.62 «Металлургия». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
          http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 669.112(07)  
ББК 34.222я73
 
 
ISBN 978-5-7638-2926-6 
            © Сибирский федеральный  
                            университет, 2014 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 

Металлы – наиболее распространенные материалы, широко используемые во всех отраслях промышленности.  
Одним из основных методов производства, от получения жидких 
сплавов до изготовления отливок для всех отраслей промышленности,           
и прежде всего для машиностроения, является литейное производство, которое позволяет обеспечивать однородность структуры и свойств литых 
изделий, а также получать отливки любых размеров и масс. 
Формообразование отливок осуществляется из материалов в расплавленном состоянии. В этом важнейшее достоинство и перспективность 
технологии литья, так как для придания детали любой конфигурации              
из любого расплава требуются минимальные затраты энергии. Но это же 
приводит к главному недостатку отливок: в результате затвердевания расплава в них возникает ряд дефектов, ухудшающих свойства отливок. Для 
предотвращения этих дефектов необходимо знание технологии выплавки  
и особенностей получения отливок из конкретных сплавов.  
Производство стальных и чугунных отливок непрерывно расширяется. 
Ни один из промышленных металлов и сплавов не является столь универсальным с точки зрения диапазона свойств, как сталь и чугун. Путем            
рационального легирования, модифицирования и термической обработки 
достигаются оптимальные физико-механические свойства отливок, обусловливающие надежность и долговечность машин  и конструкций. Стальное и чугунное литье применяют тогда, когда от металла требуются примерно такие 
же свойства, как от катаной или кованой продукции, а получение изделий           
заданной формы с экономической или технологической точки зрения более 
целесообразно путем литья.  
В настоящем учебном пособии теоретический материал делится на 
два раздела: «Производство отливок из чугуна» и «Производство отливок 
из стали». Особое внимание авторы уделили современным представлениям 
об эксплуатационных, технологических и литейных свойствах чугунов           
и сталей, а также методикам определения этих свойств и формированию 
служебных характеристик сплавов в отливках. В пособии подробно рассмотрены свойства чугунов и сталей, которые должны учитываться технологами при ведении плавки и разработке технологического процесса изготовления отливок из чугунов и сталей. Изложены физико-химические         
и технологические основы плавки чугунов и сталей, приведены схемы печей и принципы их действия. Вопросы конструкции печей освещены лишь       
в том объеме, который обеспечивает понимание технологии и методов 
управления технологическими процессами плавки.  

Г л а в а  1 

 
ПРОИЗВОДСТВО  ОТЛИВОК  ИЗ  ЧУГУНА 
 
 
1.1. Общие сведения  
о структуре и свойствах чугунов 
 
Современное состояние, перспективы и задачи производства  
железоуглеродистых сплавов. Основные направления  
повышения эффективности производства отливок 
Фасонные отливки применяются во всех отраслях промышленности. 
Область применения литых деталей постоянно расширяется, так как помимо 
общего роста машиностроительного производства происходит замена деталей из поковок, штамповок и проката отливками, что обусловливает 
большую экономию металла и снижение затрат труда.  
Из чугуна получают около 80 % фасонного литья в мире. В мировом 
производстве масса фасонных стальных отливок составляет 15 % и лишь 
5–6 % приходится на отливки из сплавов цветных металлов. 
Широкое распространение отливок из чугуна и стали объясняется 
тем, что эти материалы обладают многими ценными качествами, в частности высокими (у чугуна) и удовлетворительными (у стали) литейными 
свойствами, легко обрабатываются резанием. Важным обстоятельством 
является также сравнительно невысокая стоимость чугуна и стали. 
Современное машиностроение значительно повысило требования, 
предъявляемые к чугунным отливкам. Применение чугуна для ответственных деталей потребовало улучшения качества чугуна, главным образом 
его структуры. Для получения легированных и модифицированных чугунов появилась необходимость введения в чугун специальных добавок. 
Задача изготовления качественных отливок из серого чугуна с улучшенной структурой сводится к получению однородного перлитного чугуна 
во всех частях отливки независимо от толщины стенок. Такая структура 
может быть получена регулированием химического состава, температуры 
выпускаемого из печи чугуна и скорости охлаждения его в форме. Для этого суммарное содержание в отливке углерода и кремния обеспечивают 
равным 4 %. Чугун перегревают до температуры 1 500 оС и замедляют 
охлаждение его в форме. 
Легированными называют чугуны, в состав которых введены специальные примеси: никель, хром, молибден, титан и др. В результате введения этих примесей наблюдается повышение механических свойств чугуна. 

Влияние легирующих элементов весьма разнообразно и в настоящее время 
позволяет применять чугун там, где раньше применялась сталь. 
На практике наибольшее значение имеет модифицирование чугуна. 
Во время выпуска серого чугуна из вагранки или другого плавильного         
агрегата в расплав добавляется небольшое количество (0,5–0,6 %) специальных графитизирующих присадок – модификаторов. Серый излом этих 
отливок объясняется тем, что структурно модифицированный чугун представляет собой перлит с включениями пластинок графита. Термообработка 
такого чугуна повышает его механические свойства, приближая их к свойствам стали.  
В качестве модификаторов могут служить 75 %-ный ферросилиций, 
силикокальций (СК10) и др. Введение этих модификаторов может производиться в ковш во время наполнения его чугуном или же на желоб,                
в струю металла, во время выпуска чугуна из плавильного агрегата. После 
ввода модификаторов и перемешивания чугуна время выдержки до заливки 
чугуна в формы должно быть 2–4 мин. При более длительных выдержках 
заметного изменения структуры и механических свойств не происходит. 
В результате модифицирования образуется более мелкозернистая 
металлическая основа чугуна. Кроме того, графитовые включения равномернее распределяются в металлической основе в виде тонких и коротких 
включений. Это обеспечивает значительное повышение механических 
свойств модифицированных чугунов по сравнению с серыми. Такой чугун 
применяется для изготовления ответственных деталей машиностроения, 
таих как рамы двигателей, тонкостенные отливки сложных форм (толщина 
стенок до 6 мм), поршневые кольца, цилиндры, малые коленчатые валы, 
головки блока и т. д. Модифицирование применяется также как способ 
устранения отбела в тонких сечениях чугунных отливок. В ряде случаев           
модифицированный чугун применяется в качестве антифрикционного            
материала – заменителя бронз. 
В ближайшей переспективе чугун останется ведущим конструкционным материалом. Диапазон технических свойств чугуна весьма широк:           
серый чугун (СЧ) имеет хорошие антифрикционные свойства, высокопрочные и ковкий чугуны отличаются высокой прочностью и пластичностью. 
По износостойкости, низкой чувствительности к надрезам и технологичности 
чугун превосходит сталь.  
Получение чугуна различных марок потребовало совершенствования 
традиционных и разработки новых процессов плавки и внепечной обработки чугуна. Сегодня внедряются современные коксовые, коксогазовые            
и газовые вагранки, широкое распространение получают электроплавка           
и плавка чугуна дуплекс-процессом (вагранка – электропечь). 
В общем случае можно рекомендовать применение вагранок (коксовых 
с холодным или горячим дутьем, коксогазовых, газовых) для получения 

серого чугуна до марки СЧ30; дуплекс-процесса – для СЧ35 и ковкого чугуна (КЧ); индукционных тигельных печей – для СЧ25, СЧ30, легированных и специальных чугунов, ковких чугунов и чугунов с шаровидным графитом (ВЧ), вермикулярным графитом (ЧВГ), а также для чугунов любых 
других марок при использовании в шихте стальных отходов. 
Таким образом,  чугун – это уникальный литейный сплав, имеющий 
хорошие литейные свойства. Кроме того, он и дешевле стали. 
 
Структурные составляющие и свойства сплавов  
в жидком и твердом состояниях 
Чугуны представляют собой сплавы железа, содержащие свыше 2,14 % 
углерода и примеси кремния от 0,4 до 3,5 %, марганца от 0,2 до 1,5 %, 
фосфора от 0,04 до 1,5 % и серы от 0,02 до 0,2 %. 
Структура и свойства чугуна в основном определяются тем, в каком количестве и в каком виде (свободном или связанном) содержится в нем углерод. 
Свободный углерод в чугуне представляет собой равномерно распределенные 
в металлической основе сплава включения графита – неметаллического материала, обладающего малой прочностью и твердостью, имеющего в различных 
чугунах разную форму: пластинчатую, шаровидную, хлопьевидную.  
Связанный углерод входит в состав чугуна в виде химического           
соединения Fe3C – цементита. Чем больше по количеству и размерам 
включения графита в чугуне, тем меньше его прочность. Наиболее высокими механическими свойствами обладают высокопрочные чугуны с шаровидной формой графита и ковкие чугуны, в которых благодаря специальной термической обработке обеспечивается выделение углерода отжига 
в виде хлопьевидных частиц. Высокое (от 2 до 4 %), по сравнению со сталями, содержание углерода в чугуне оказывает положительное влияние          
на литейные свойства чугуна: понижает температуру плавления, повышает 
жидкотекучесть, уменьшает усадку. Поэтому из чугуна можно получать 
более тонкостенные, чем из стали, отливки, меньше расходовать металла 
на литниковую систему и прибыли. 
Итак, к основным составляющим структуры различных чугунов,             
определяющим их свойства, помимо графита относят феррит, цементит, 
перлит, аустенит, ледебурит.  
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода (до 0,02 %) в α-Fe. Феррит 
мягок и пластичен, если не содержит легирующих примесей, повышающих 
его твердость, прочность, хрупкость.  
Цементит (Ц) (карбид железа – Fe3C) представляет собой химическое соединение (Fe3С), содержащее 93,33 % железа и 6,67 % углерода; является наиболее твердой и хрупкой составляющей чугунов. 
Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь цементита и феррита. Мельчайшие частицы цементита, находящиеся в пластичной массе 

феррита, придают этой смеси хорошие прочностные свойства. В перлите 
содержится 0,83 % углерода.  
Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-Fe. Аустенит немагнитен.  
Ледебурит (Л) – эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита. 
Рассмотрим диаграмму состояния железо – углерод (рис. 1). 
При температурах, отвечающих линии ВС, из жидкого сплава кристаллизуется А (аустенит), а при температурах, соответствующих линии 
CD, – цементит (Fe3C). В точке С при 1 147 ºС и концентрации углерода 
4,3 % из жидкого сплава одновременно кристаллизуются А и Fe3C, образуя 
эвтектику (ледебурит). 
При кристаллизации доэвтектических сплавов (рис. 1), содержащих 
от 2,0 до 4,3 % С, из жидкой фазы по достижении температур, соответствующих линии ликвидуса ВС, сначала выделяются кристаллы аустенита,        
а при 1 147 ºС (линия ЕС) сплавы окончательно затвердевают с образованием 
эвтектики – ледебурита. Следовательно, доэвтектические сплавы после        
затвердевания имеют структуру А + Л (ледебурит). 
Заэвтектические сплавы, содержащие от 4,3 до 6,67 % углерода, начинают затвердевать по достижении температур, отвечающих линии CD. 
Первоначально из жидкой фазы выделяются кристаллы цементита,               
а по достижении 1 147 ºС (линия CF) сплавы окончательно затвердевают        
с образованием эвтектики – ледебурита. После затвердевания сплавы          
получают следующую структуру: кристаллы Ц + Л. Этот цементит, образующийся из жидкой фазы, называется первичным цементитом. 
Как было сказано выше, чугуны (по сравнению со сталью) обладают 
лучшими литейными свойствами и более низкой температурой плавления. 
Однако они хрупки и практически не поддаются ковке. Это объясняется 
присутствием в структуре чугунов легкоплавкой и хрупкой эвтектики – 
ледебурита (или графита – при стабильном равновесии). 
Вторичная кристаллизация. Рассмотрим превращения, протекающие в твердом состоянии. Эти превращения связаны с переходом при охлаждении γ-Fe в α-Fe и, как следствие, с распадом А (аустенита). 
Линия ES показывает изменение растворимости углерода в аустените 
с 2 % (точка Е) до 0,8 % (точка S). При этом из аустенита выделяется         
цементит, который, в отличие от цементита (Fe3C), кристаллизующегося  
из жидкой фазы, называется вторичным цементитом. 
По достижении 727 ºС происходит распад аустенита с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную 
смесь – перлит. Таким образом, перлит – это механическая смесь двух фаз: 
феррит + цементит. Точка Р характеризует предельную растворимость   
углерода в феррите (α-Fe) при температуре 727 ºС, она составляет 0,025 % 
углерода. 

Рис. 1. Диаграмма состояния железо – углерод 

По достижении температуры, соответствующей линии PSK (727 ºС), 
аустенит, обедненный углеродом доэвтектоидного состава (точка S соответствует 0,8 % C), превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру П + Л 
(рис. 2, а).  
 

 

а 
б 

 
в 

Рис. 2. Микроструктура чугуна, ×500: а – доэвтектический чугун: перлит (темные 
участки) и ледебурит (светлые участки); б – эвтектический чугун: ледебурит (темные участки – перлит; светлые – цементит); в – заэвтектический чугун: цементит 
(светлые пластины)  и  ледебурит  (темные участки – перлит; светлые – цементит) 
 
Эвтектический чугун (4,3 % С) состоит только из ледебурита,             
при температуре выше 727 ºС – из аустенита + цементита, ниже 727 ºС –  
из перлита + цементита (рис. 2, б). Ледебурит представляет собой выделения 
цементита, часто пластинчатой формы (они плохо травятся), и мелкие 
(иногда разветвленные) включения перлита, образовавшегося в участках 
залегания аустенита. 
Заэвтектический чугун при температурах ниже 727 ºС состоит из 
первичного цементита, имеющего форму пластин, и ледебурита (Ц + Л) 
(рис. 2, в). 
Процесс графитизации и структура серого чугуна. В условиях 
стабильного равновесия сплавов Fe–C высокоуглеродистой фазой является 
не цементит, а графит.