Производство стальных отливок

ПРОИЗВОДСТВО 
СТАЛЬИЬП 
отливов 

Под ред. проф., докт. техн. наук Л. Я. Козлова 

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебника для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по специальности 
110400 - tflumeuHoe производство черных и цветных метаппов» 

МОСКВА 

•МИСИС» 

2003 

Р е ц е н з е н т ы ; кафедра «Материаловедение и литейное производство» 
Рыбинской государственной авиационной технологической академии; 
проф., докт. техн. наук Ю.И. Уточкин, директор центра металлургии ООО «Объединенные машиностроительные заводы» 

Л^. Козлов, В.М. Колокольцев, К.Н. Вдовнн, Э.Б. Теи, 
Л.Б. Долгополова, А.Л. Филиппенков 

УДК 669.14.018 

Производство стальных отливок: Учебникдля вузов/Козлов Л.Я., 
Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. и др./ Под ред. Л.Я. Козлова. — 
М.: 'МИСИО, 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. ! 35. 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 нелигированных 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 

3 

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 ши.хты 
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 лля 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 

Глава4 ГАЗОВЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ 
174 

4.1. Эндогенные газовые включения 
174 

4.1.1. Растворимость газов в металле 
174 

4.1.2. Водород встали и отливках 
176 

4.1.3. Азот встали и отливках 
177 

4.14. 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 НЕ.МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В ОТЛИВКАХ 
186 

5.1. Характеристика включений 
186 

5.2. Эндогенные неметаллические включения 
190 

4 

5.3. Удаление эндогенных неметаллических включений 
191 

5.4. Экзогенные неметаллические включения 
194 

5.5. Предотвращение образования экзогенных неметаллических 

включений 
195 

Контрольные вопросы 
195 

Глава 6. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛИ 
196 

6.1. Жидкотекучесть стали и заполняемость литейной формы 
196 

6.2. Усадка стали 
205 

6.2.1. Объемная усадка 
206 

6.2.2. Линейная усадка 
214 

6.3. Литейные напряжения в стальных отливках 
222 

6.4. Коробление отливок 
231 

6.5. Трещины в отливках 
232 

6.5.1. Горячие трещины 
232 

6.5.2. Расчет стойкости стапьных отливок против образования 

горячих трещин 
237 

6.5.3. Основные технологические меры по предотвращению 

горячих трещин в отливках 
241 

6.5.4. Холодные трещины в отливках и меры по их предотвращению 
244 

Контрольные вопросы 
246 

Глава 7. ПРИБЫЛИ И ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ 
247 

7.1. Прибыли 
247 

7.1.1. Назначение прибылей 
247 

7.1.2. Классификация прибылей 
248 

7.1.3. Расчет прибылей 
253 

7.2. Литниковые системы 
260 

7.2.1. Назначение литниковой системы и ее элементов 
260 

7.2.2. Требования к литниковым системам 
262 

7.2.3. Классификация литниковых систем 
263 

7.2.4. Конструирование и выбор литниковой системы 
267 

7.2.5. Расчет литниковых систем 
270 

Контрольные вопросы 
279 

Глава 8. ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА 
СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК 
280 

8.1. Несоответствие по геометрии 
281 

8.2. Дефекты поверхности 
284 

8.3. Несплошности в теле отливки 
292 

8.4. Контроль качества стальных отливок 
294 

Контрольные вопросы 
299 

РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
300 

ПРИЛОЖЕНИЯ 
304 

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 раздело» учебника неоднократно обсуждалось на заседаниях научно-методического совета специальности 110400 УМО. Активную помощь в формировании содержания учебника оказали проф., д. т. и. 
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 (РГЛТА), проф. И. В. Грузных,проф., д. т. и. 
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 
ихтожены 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 возник

новения и меры но 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, трещиноустоичивости, 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. Картощкину и 
инженеру Е. Е. Миролюбовой за помощь в подготовке рукописи учебника 
к изданию. 

Авторы с благодарностью примут все замечания 1Ю 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 котооых: 

1990 
1991 
1992 
1993 
1994 
1995 
1996 
1997 
1998 
1999 

Год 

Ряс, 1. Производство стальных отливок в мире в 1990—1999 гг. 

20 . 

12 

• 1995 

П 1996 

• 1997 

1 1998 

И 1999 

в «> "- "- "" п in 

10 N Ш 
о'Во 
«•см 

США 
Китай 
Япония 
Германия 
Франция 
СНГ 

Рис. М. Производство стальных отливок в странах — основных производителях 
литья в 1995 -1999 гг. (данные по странам СНГ — ориентировочно) 

— 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, осушествляется с помощью диаграммы состояния системы Fe—FCjC (рис. Ill), 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 

t°c Ч. 

МврЖйиие С, % 

Рнс. IU. Диаграмма состояния системы Fe—Ре,С (по Н. Ф. Болховитинову): 
точка А — температура пладления железа (1539 "С); ABC — изменение температуры 
ликвидус сталей с увеличением содержания угперода; точка/ — перитектическое превращение ж + 6 ->х. точка А^ — температура перехода 6-Fe в y-Fe при охлаждении; точка А, (ЛИНИЯ GS) — температура вьщеления феррита ot-Fe из аустенита 7-Ре (910—723 "С) 

агрегатов и процессов, позволяющих получать сталь необходимого состава и требуемых свойств (электродуговая плавка, электрошлаковое 
литье, вакуумно-дуговой переплав и др.). 

Легирование и модифицирование позволяют 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 I 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 
СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ 

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК 

Отливки из стали классифицируют по пяти основным признакам: по 
химическому составу, структуре, назначению, способу выплавки стали, 
требованиям к детали. 

1. По химическому составу отливки делятся на 4 группы: 
— из углеродистой нелегированной стали; их состав различается 
только содержанием углерода при одинаковом содержании других элементов — кремния, марганца, серы, фосфора; вследствие этого их можно разделить на отливки из низкоуглеродистой (С < 0,2%), среднеуглеродистой (С = 0,2...0,4%) и высокоуглеродистой (С > 0,4%) стали; 

— из низколегированной стали; суммарное содержание легирующих 
элементов не превышает 3,5%; 

— из среднелегированной стали; суммарное содержание легирующих элементов находится в пределах 3,5—10,0%; 

~ из высоколегированной стали с содержанием легирующих элементов более 10,0%. 

2. По структуре углеродистые и легированные стали классифицируются раздельно. Это объясняется тем, что сходные структурные составляющие, например феррит, аустенит, могут обладать различными 
свойствами в зависимости от содержания тех или иных легирующих элементов. 

Отливки из углеродистых сталей обычно имеют ферритную, ферритно-перлитную и перлитную структуру и относятся соответственно к ферритному или перлитному классам. Но даже и в таких сталях чистой ферритной или перлитной структуры не образуется. Отливки из легированных сталей в зависимости от концентрации легирующих элементов, углерода и режима термической обработки делятся на 6 классов, отливки из: 

— мартенситных сталей; 
— мартенситно-ферритных сталей; 
— ферритных сталей; 
— аустенитно-мартенситных сталей; 
— аустенитно-ферритных сталей; 
— аустенитных сталей. 
3. По назначению или служебным свойствам стальные отливки можно разделить на 4 большие группы, отливки из; 

12 

— конструкционных нелегированных углеродистых сталей; 
— легированных конструкционных сталей; 
— высоколегированных сталей со специальными свойствами: кислотостойкие, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие, износостойкие, инструментальные и др.; 

— сталей с особыми свойствами — немагнитных, магнитных, с высоким и низким электросопротивлением, радиационностойких и др. 

4. По способу выплавки стали отливки делятся на 3 группы: 
— отливки из мартеновской стали, полученной кислым или основным процессом; в последнее время доля таких отливок весьма невелика 
и постоянно снижается вследствие вывода мартеновских печей из эксплуатации и замены их на современные плавильные агрегаты; 

— отливки из электростали, полученной в дуговых и индукционных 
печах с кислой и основной футеровкой; на них приходится более 90% 
стали для отливок; 

— отливки из стали, полученной специальной металлургией; электрошлаковый переплав и литье, электронно-лучевая плавка, вакуумнодуговая плавка и др.; такие методы плавки используются, как правило, 
для получения отливок со специальными и особыми свойствами. 

5. По требованиям к литой стальной детали отливки делятся на 3 
группы: 

— отливки общего назначения; у них контролируются внешний вид, 
размеры и химический состав; 

— отливки ответственного назначения; у них кроме перечисленных 
выше показателей контролируются также механические свойства: Ов или 

Оо,2; 

— отливки особо ответственного назначения; у них кроме перечисленных выше показателей контролируется и ударная вязкость KCU или 
KCV. 

Согласно требованиям к литой детали, в число контролируемых показателей могут быть включены твердость, механические свойства при 
низких и высоких температурах, герметичность, микроструктура и другие показатели. 

Производство стальных отливок в России и странах ближнего зарубежья регламентируют по ГОСТ 977-88 «Отливки стальные. Общие технические условия» и ГОСТ 21357-87 «Отливки из хладостойкой и износостойкой стали. Общие технические условия». 

1.2. МАРКИРОВКА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК 

В России принята буквенно-цифровая система маркировки сталей. 
Простые углеродистые стали обозначают двузначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента, и буквой 

13