Основы получения отливок из сплавов на основе железа

СИБИРСКИЙ ФЩЕРАЛЬНЫИ УНИВЕРСИТЕТ 
SIBERIflfl FEDERAL UfllVERSITY 

ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ 
ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ 
НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА 

Практикум 

Практикум состоит из двух разделов. В первом разделе представлены семь лабораторных работ. Даны краткие теоретические сведения, методики расчета и порядок выполнения 
работ, контрольные вопросы и задания. Во втором разделе 
приведены шесть практических работ, в которых описаны 
шихтовые материалы для плавки чугуна и стали, свойства 
данных металлов, примеры расчета шихты аналитическим и 
графическим методами, методом подбора, методом переплавки шихты, а также представлены задачи для самостоятельного расчета, используемое оборудование и методика 
обработки полученных в ходе работы экспериментальных 
данных. 

У М О 

Оглавление 

1 

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 бакалавриата 150400.62 
«Металлургия» (рег. № 2937 от 15.12.2014) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2015 

Оглавление 
 

2 

УДК 621.746.6(07) 
ББК 34.615я73 
        О-753 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  доктор технических наук, профессор ректор 
МГТУ им. Н. Э. Баумана А. А. Александров;  
кандидат технических наук, главный металлург ОАО «Сибэлектротерм» В. А. Кузнецов  

 
А в т о р ы:  А. И. Булгакова, Т. Р. Гильманшина, В. Н. Баранов,  
                     С. И. Лыткина, А. К. Абкарян, С. А. Худоногов 
 
 
 
  
 
 
 
 
О-753         Основы получения отливок из сплавов на основе железа : 
практикум / А. И. Булгакова, Т. Р. Гильманшина, В. Н. Баранов [и др.]. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 168 с. 
ISBN 978-5-7638-3208-2 
 
Практикум состоит из двух разделов. В первом разделе представлены 
семь лабораторных работ. Даны краткие теоретические сведения, методики расчета и порядок выполнения работ, контрольные вопросы и задания. Во втором 
разделе приведены шесть практических работ, в которых описаны шихтовые материалы для плавки чугуна и стали, свойства данных металлов, примеры расчета 
шихты аналитическим и графическим методами, методом подбора, методом переплавки шихты, а также представлены задачи для самостоятельного расчета, 
используемое оборудование и методика обработки полученных в ходе работы 
экспериментальных данных.  
Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 
150400.62 (22.03.02) «Металлургия», профиль 150400.62.00.04 (22.03.02.04) «Литейное производство черных и цветных металлов». 
 
   Электронный вариант издания см.: 
           http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.746.6(07) 
ББК 34.615я73
 
ISBN 978-5-7638-3208-2                                                          © Сибирский федеральный  
                                                                                            университет, 2015 

Оглавление 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 4 
 
I. ЛАБОРАТОРНЫЙ  ПРАКТИКУМ ................................................................ 6 
Лабораторная работа 1 
Оценка структуры отливок из чугуна ............................................................... 6 
Лабораторная работа 2 
Модификаторы для чугуна ............................................................................... 21 
Лабораторная работа 3 
Технология плавки серого чугуна в индукционной печи ............................. 34 
Лабораторная работа 4 
Основные реакции и процессы сталеплавильного производства ................ 41 
Лабораторная работа 5 
Углеродистые стали для фасонных отливок .................................................. 49 
Лабораторная работа 6 
Технология выплавки основной и кислой стали ............................................ 57  
Лабораторная работа 7  
Контроль качества отливок .............................................................................. 64 

II. ПРАКТИКУМ ............................................................................................... 80 
Основные  этапы  расчета  шихты ................................................................... 80 
Практическая работа 1 
Расчет шихты для чугуна методом подбора ................................................... 87 
Практическая работа 2 
Расчет шихты для чугуна аналитическим методом ....................................... 97 
Практическая работа 3 
Расчет шихты для чугуна графическим методом ........................................ 105  
Практическая работа 4 
Расчет шихты для выплавки кислой электростали методом подбора ....... 110  
Практическая работа 5 
Расчет шихты методом подбора для выплавки  
высоколегированной стали методом переплава шихты .............................. 120 
Практическая работа 6 
Расчет шихты методом подбора для выплавки стали с окислением ......... 124 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 133 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ  СПИСОК .......................................................... 135  

ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................... 139

Введение 
 

4 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
Данное издание предназначено для проведения практических и лабораторных работ при обучении бакалавров по направлению подготовки 
150400.62 (22.03.02) «Металлургия», профиль подготовки 150400.62.00.04 
(22.03.02.04) «Литейное производство черных и цветных металлов». 
Производство стальных и чугунных отливок непрерывно расширяется. 
Ни один промышленный металл или сплав не является столь универсальным с точки зрения диапазона свойств, как сталь и чугун. Путем рационального легирования, модифицирования и термической обработки (ТО) 
достигаются оптимальные физико-механические свойства, обуславливающие 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.  
Дисциплина «Основы получения отливок из сплавов на основе железа» входит в программу подготовки бакалавров и предусматривает изучение современных процессов получения отливок из чугуна и стали. При  
освоении курса необходима систематизация и алгоритмизация знаний           
на основе углубленного самостоятельного изучения учебной и научнотехнической литературы. Непременным условием такой проработки является проведение лабораторных и практических работ. 
Задачи лабораторного практикума заключаются в формировании 
знаний студентов о составе, структуре, технологических и служебных 
свойствах железоуглеродистых сплавов для фасонных отливок, классификации чугунов и сталей, технологических особенностях выплавки. Главное 
внимание при изложении материала уделено рассмотрению особенностей 
технологии, назначению технологических режимов, применяемому оборудованию при производстве отливок из чугуна и стали. Часть работ носит 
исследовательский характер, содержит необходимые теоретические сведения и описание методик их выполнения. Материал изложен таким образом, 
чтобы студент смог самостоятельно выполнить лабораторную работу под 
наблюдением преподавателя.  

Введение 

5 

Основной задачей расчета шихтовых материалов является установление такого соотношения компонентов шихты, которое обеспечивает получение сплава требуемого химического состава при минимальной его 
стоимости. В практикуме приведены примеры расчетов шихты аналитическим, графическим, методами подбора и переплавки шихты. Также содержатся сведения по теории, технологии и оборудованию производства          
чугунных и стальных отливок. 

I. Лабораторный практикум 
 

6 

 
I. ЛАБОРАТОРНЫЙ  ПРАКТИКУМ 
 
 
Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  1 
 
ОЦЕНКА  СТРУКТУРЫ  ОТЛИВОК  ИЗ  ЧУГУНА 
 
Цель работы: изучить влияние структуры на качество чугуна (изучить классификацию структуры чугуна по ГОСТ 3443–87; приобрести навыки идентификации шлифов в соответствии с ГОСТом; освоить методику 
изготовления шлифов из чугуна; изучить структуры микрошлифов из серых и высокопрочных чугунов с помощью микроскопа; оценить исследуемые образцы структур визуальным сопоставлением микроструктуры,            
видимой в микроскопе, со структурой эталона соответствующей шкалы         
по ГОСТ 3443–87). 
 
 
Краткие теоретические сведения 
 
К чугунам относятся железоуглеродистые сплавы, содержащие более 
2,14 % С и имеющие в своем составе эвтектику. 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, вермикулярную и др. Связанный углерод 
входит в состав чугуна в виде химического соединения Fe3C – цементита. 
В зависимости от того, в каком виде формируется высокоуглеродистая фаза при кристаллизации или термической обработке, чугуны делятся 
на графитизированные (СЧ, ЧВГ, КЧ, ВЧШГ), белые (БЧ), половинчатые, 
отбеленные (ОЧ). Форма графита в чугунах весьма разнообразна: пластинчатая (ПГ), вермикулярная (ВГ), компактная (хлопьевидная) (КГ) и шаровидная (ШГ). Эти формы графита и определяют качество (механические и 
технологические характеристики) и основные типы чугуна: СЧ, ЧВГ, КЧ, 
ВЧШГ. Включения графита, особенно пластинчатой формы, действуют на 
металлическую основу чугуна как надрезы, снижающие ее механическую 
прочность и пластичность. Наиболее высокими механическими свойства

1. Оценка структуры отливок из чугуна 

7 

ми обладают высокопрочные чугуны с шаровидной формой графита и ковкие чугуны, в которых благодаря специальной термической обработке 
обеспечивается выделение углерода отжига в виде хлопьевидных частиц. 
  
Диаграмма фазового равновесия 
О формировании разнообразных структур при кристаллизации и последующем охлаждении дает представление диаграмма фазового равновесия железо – графит и железо – цементит (рис. 1).  
 

 
                                                                                                  Степень эвтектичности Sэвт 
 
Рис. 1. Диаграмма железо – углерод: - - - стабильное фазовое равновесие 
Fe–С; –––– метастабильное фазовое равновесие Fe–Fe3C 
 
Характер эвтектического превращения определяет формирование 
высокоуглеродистой фазы. Распад эвтектической жидкости на аустенит (А)  
и графит (Г) или на аустенит и цементит (Ц) обуславливает получение качественно разных сплавов: серого, белого и половинчатого чугунов.            
От протекания эвтектической реакции (главным образом от ее продолжительности) зависят количество, размеры, форма и взаимная ориентация 
графита, размеры эвтектической ячейки. При этом форма и взаимная ориентация графита не могут быть изменены никакими видами термической 
обработки. 

I. Лабораторный практикум 
 

8 

Углерод в зависимости от химического состава и скорости охлаждения может находиться в чугуне в твердых растворах (аустенит, феррит),        
в связанном состоянии (цементит и другие карбиды) и в свободном (графит). 
При этом форма выделений графита и структура металлической основы 
(матрицы) определяют качество, основные типы графитизированных        
чугунов и их свойства. 
Структура чугуна окончательно формируется при эвтектоидном превращении. В сером чугуне к этому моменту сохраняются аустенит и графит, 
образовавшийся при эвтектическом превращении, а также выделившийся 
из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода при охлаждении. Эвтектоидное превращение (распад аустенита) также зависит от вида 
высокоуглеродистой фазы (графит или цементит), оно определяет строение 
металлической матрицы (основы) чугуна. В случае образования ферритнографитного эвтектоида общая степень графитизации возрастает. Если же 
эвтектоид представляет собой смесь феррита и цементита (перлит), вторая 
стадия графитизации не протекает. Режим охлаждения отливки после ее 
затвердевания в форме, а также в процессе термической обработки обуславливает природу металлической матрицы, которая может представлять 
феррит и перлит разной дисперсности (пластинчатый и зернистый), а также 
троостит, бейнит и мартенсит. 
В структуре двойных сплавов Fe–C в зависимости от состава и температуры могут быть следующие фазы: 
– жидкий раствор – единая фаза, существующая при температурах 
выше линии ликвидуса; 
– аустенит – высокотемпературная пластичная фаза, являющаяся 
твердым раствором внедрения углерода в γ-железе; предельная растворимость углерода составляет 2,14 % при эвтектической температуре (1 147 
или 1 153 ºС); 
– цементит – химическое соединение – карбид железа Fe3C, содержит 6,67 % С. Цементит является самой твердой (НВ 800), но в то же время 
и хрупкой фазой сплавов Fe–C, придающей чугунам высокую твердость, 
хрупкость и плохую обрабатываемость; 
– феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе с содержанием 0,025 % С. Под микроскопом на травленом шлифе феррит имеет 
вид зерен, разделенных ясно видимыми границами. Твердость феррита  
небольшая (НВ 100–150), он легко обрабатывается резцом; 
– перлит – эвтектоидная смесь феррита с цементитом, образующаяся 
во всех точках по линии PSK, т.е. во всех сталях и чугунах; 
– ледебурит – это эвтектика, которая начинает формироваться          
по линии ECF, т.е. это фаза, присутствующая только в чугунах. При этом  
в доэвтектических чугунах структура состоит из ледебурита с избыточным 

аустен
В резу
в леде
ферри

К

марган
приме
0,3 Р. 

П

на два

–

относя

–
О

ляется
на, но 
ния) и
сит та
гун, ко

О
Б

Структ
ского –

В

с желе
Белый
твердо

нитом, а в
ультате вт
ебурит) ра
тографит
Кроме уг
нец, сера 
есей соста

По влиян
а класса: 
– примес
ятся сера 
– примеси
Отличите
я зависим
 и от ско
или от тол
акже от м
оторый по

Основны
Белый чу
тура заэв
– Л (рис. 

Рис

В белом ч
езом, за и
й чугун в
остью, хр

в заэвтекти
торичных
аспадаетс
тной эвтек
глерода в

и фосфо

авляет, %

нию на ст

и, различ
и кислор
и, неразли
ельной ос
мость их с
орости ох
лщины ст
модифици
осле затве

ые типы ч
угун сост
втектичес
2, б), доэ

а 

с. 2. Структ
б – эвтекти

чугуне вес
сключени
следствие
рупок и 

1. Оценка ст

ических –
х превращ
ся с образ
ктоидной
в чугуне 
ор. В обы
%: 1,0–2,5 

труктуру 

чаемые по
од, связан
ичимые п
собенност
структуры
хлаждения
тенки отли
ирования.
ердевания

чугуна 
тоит в ос
кого бело
эвтектиче

 

тура белого
ический (×1

сь углерод
ием углер
е присутс
практич

руктуры отли

– из ледеб
щений ау
зованием 
й смеси (в
всегда п

ычных сер

Si; 0,5–1

указанны

од микро
нные в ви
под микро
тью чугун
ы не толь
я (затверд
ивки. Кро
 Применя
я должен

сновном и
ого чугун
ского (ри

б 

о чугуна: а
100); в – до

д находит
рода, раст
ствия в н
ески не 

ивок из чугуна

бурита с и
устенит (и

перлита 
 чугунах)
присутств
рых чугу
,1 Mn; ме

ые приме

скопом в
иде сульф
оскопом (
нов, свой
ько от хи
девания и
оме того, 
яя модиф
н быть бел

из перлит
на – Л + 
ис. 2, в) – П

 

– заэвтект

оэвтектичес

тся в виде 
творенног
нем цемен

поддаетс

а

избыточны
избыточн
(в сталях
). 
вуют при
унах содер
енее 0,12–

еси можн

в микрост
фидов и ок
(Si, Mn, Р
йственной
мическог
и последу
структур

фицирован
лым, полу

та и цеме
Ц (рис. 2
П + Л.  

в

ический (×
ский (×100

химическ
го в ферри
нтита обл
ся обраб

ым цемен
ый и вхо
х и чугуна

меси: кр
ржание д
–0,15 S и

но подраз

труктуре 
ксидов); 
Р). 
й только и
го состава
ующего о
ра чугунов
ние, мож
учить серы

ентита (р
2, а), эвте

в

×50); 
) 

кого соеди
ите (0,025
ладает вы
ботке рез

9 

нтитом. 
одящий  
ах) или 

емний, 
данных 
и менее 

делить 

(к ним 

им, ява чугуостывав зави
жно чу
ым.  

рис. 2). 
ектиче
 

инения 
5 % С). 
ысокой 
занием.