Автоматизация производства заготовок из чугунов и титановых сплавов

С. Н. Сергиенко, О. А. Клецова

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК 

ИЗ ЧУГУНОВ И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Учебное пособие

2-е издание, стереотипное

Москва

Издательство «ФЛИНТА»

2019

УДК 669
ББК 34.32

С 32

Научный редактор

Грызунов В. И., доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой 

машиностроения, материаловедения и автомобильного транспорта 
Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ОГУ

Рецензенты:

Щеголев А. В., кандидат технических наук, генеральный директор 

АО «Механический завод»; 

Лысов В. И., кандидат технических наук, помощник заместителя 
главного инженера по научной работе АО «Механический завод»

С 32 

Сергиенко С.Н. 
     Автоматизация производства заготовок из чугунов и титановых сплавов : учебное пособие / С.Н. Сергиенко, О.А. Клецова. — 2-е изд., стер. 
— Москва : ФЛИНТА, 2019. — 105 с. — ISBN 978-5-9765-4207-5. — 
Текст : электронный.

Данное 
пособие 
составлено 
в 
соответствие 
с 
рабочими 
программами по направлениям подготовки 15.03.05 «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств» и 
22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов». 
В 
пособии 
представлены 
методики 
расчетов 
конкретных 
технологических операций, из которых впоследствии складываются 
технологические схемы производства материалов. Содержатся краткие 
теоретические сведения по темам практических занятий и предложена 
методика их выполнения. В результате выполнения практических 
заданий студент приобретает знания и умения, необходимые для 
решения практических задач, прежде всего по металлургии черных и 
цветных металлов, устанавливает связь между теорией и практикой. 

УДК 669 
ББК  34.32 

ISBN 978-5-9765-4207-5     
       © Сергиенко С.Н., Клецова О.А., 2019 
   © Издательство «ФЛИНТА», 2019 

Содержание

Введение …………………………………………………………….
4

1 Металлургия чугуна …………………………………………….
6

1.1 Краткие теоретические сведения ………………………….
6

1.2 Методика расчета шихты для производства чугуна …….
16

1.3 Практическая часть. Расчет шихты чугуна методом 

подбора ………………………………………………………………
19

1.4 Задачи для самостоятельного решения …………………...
22

2 Металлургия стали ……………………………………………...
30

2.1 Краткие теоретические сведения …………………………
30

2.2 Методика расчета металлической части шихты …………
42

2.3 Практическая часть. Примерный расчет шихты 

для выплавки стали для фасонного литья …………………………
50

2.4 Задачи для самостоятельного решения …………………...
57

3 Металлургия титана …………………………………………….
70

3.1 Краткие теоретические сведения ………………………….
70

3.2 Практическая часть. Математическое описание 

процессов рафинирования титановых сплавов в промежуточной 
емкости ………………………………………………………………
87

3.3 Задачи для самостоятельного решения …………………..
94

Заключение …………………………………………………………
100

Библиографический список ……………………………………...
101

Введение

Металлургический комплекс, являясь базовой отраслью про
мышленности, вносит существенный вклад в экономику России. Доля 
металлургии в ВВП страны составляет около 5%, в промышленном 
производстве – 17,3%, в экспорте – 14,2%, в налоговых платежах во 
все уровни бюджетов – 9%. 

Современные условия конкуренции требуют от предприятий ме
таллургического комплекса внедрения передовых технологий производства, современного оборудования и систем управления. Это позволяет продукции, выпускаемой на предприятиях, соответствовать 
самым строгим мировым стандартам.

Среди металлов чёрные металлы (и, в первую очередь, железо, 

которое лежит в основе получения чугуна и стали) по своему значению занимают особое место. Преимущественным применением в самых разнообразных областях техники и в быту чёрные металлы обязаны своим ценным физическим и механическим свойствам, а также 
широкому распространению в природе железных руд и сравнительной простоте и дешевизне производства чугуна и стали. 

Титан - прочный, легкий, гибкий металл, имеющий самый 

большой показатель отношения предела прочности к весу из всех 
конструкционных материалов. Он обладает высоким сопротивлением 
коррозии и эрозии. Эти свойства делают возможным использование 
титана в широком диапазоне областей применения: от турбинных 
двигателей до человеческих имплантатов. Однако при таких уникальных свойствах мировой рынок металлического титана составляет 
всего 75000 т/год (примерно 3% от потребления исходных материалов титана) [8]. Главная причина - высокая стоимость металлического 
титана (он в 1000 раз дороже стали и в 200 раз дороже алюминия).

В пособии главное внимание при изложении материала уделено 

рассмотрению основных видов шихтовых материалов для производства чугуна и стали, приведены конкретные примеры расчета шихты, 

а также различным методов получения титановых сплавов. Рассмотрена модель распределения температуры в титановом расплаве и 
процесса его рафинирования в промежуточной емкости установки 
ЭЛП-30. Предложены практические задания для описания структурных и фазовых превращений, протекающих в титановых сплавах.

1 МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА

1.1 Краткие теоретические сведения

Чугун – сплав железа с углеродом (более 2,14%) и другими ком
понентами. Требуемый химический состав чугунов регламентируется 
соответствующими ГОСТ и ТУ: чугун с пластинчатым графитом 
(ГОСТ 1412-85); чугун с шаровидным графитом (ГОСТ 7293-85); чугун с вермикулярным графитом (ГОСТ 28394-89); ковкий чугун 
(ГОСТ 1215-79); антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585-85).

Чугун – дешевый машиностроительный материал, обладающий 

хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки 
стали. Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов.

Получение чугуна – сложный химический процесс. Он состоит 

из трех стадий: восстановления железа из окислов, превращения железа в чугун и шлакообразования. Свойства чугуна зависят, главным 
образом, от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы 
(до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).

Углерод – один из главных элементов в чугуне. В зависимости 

от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те 
или иные сорта чугуна. С железом углерод соединяется двояко: в 
жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в 
твердом – в химически связанном с железом или в виде механической 
примеси в форме мелких пластинок графита.

Кремний – важнейший после углерода элемент в чугуне, он уве
личивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает 
чугун более мягким.

Марганец повышает прочность чугуна.
Сера в чугуне – вредная примесь, вызывающая красноломкость 

(образование трещин в горячих отливках). Она ухудшает жидкотеку

честь чугуна, делая его густым, вследствие чего он плохо заполняет 
форму.

Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает 

хладноломкость (образование трещин в холодных отливках). В зависимости от состояния, в котором углерод находится в чугуне, чугун подразделяется на белый (углерод в химическом соединении с железом в 
виде цементита FeC) и серый (свободный углерод в виде графита).

Белый чугун очень твердый и хрупкий, плохо поддается отлив
ке, трудно обрабатывается режущим инструментом. Он обычно идет 
на переплавку в сталь или на получение ковкого чугуна и поэтому 
называется передельным.

В зависимости от химического состава и назначения чугуны 

подразделяют на легированные, специальные, или ферросплавы, ковкие и высокопрочные чугуны. Легированный чугун наряду с обычными примесями содержит элементы: хром, никель, титан. Эти элементы улучшают твердость, прочность, износостойкость. Различают 
хромистые, титановые, никелевые чугуны. Их применяют для изготовления деталей машин с повышенными механическими свойствами, работающих в водных растворах, в газовых и других агрессивных 
средах.

Специальный чугун, или ферросплав, имеет повышенное содер
жание кремния или марганца. К нему относятся ферромарганец, содержащий до 25% марганца, и ферросилиций, содержащий 9-13% 
кремния и 15-25% марганца. Эти чугуны применяются при плавке 
стали для ее раскисления, то есть для удаления из стали вредной 
примеси – кислорода.

Серый чугун с пластинчатым графитом является наилучшим ли
тейным сплавом, благодаря чему из него можно получать отливки различных размеров, массы и конфигурации без прибылей или с малыми 
прибылями с наибольшим выходом годного литья. Технология изготовления 
отливок 
отличается 
простотой, 
высокими 
технико
экономическими показателями, не требует дефицитных материалов и 

больших энергозатрат. Химический состав и механические свойства 
этих чугунов приведены в таблице 1, физические свойства – в таблице 2.

Таблица 1

Механические свойства и рекомендуемый химический состав серого чугуна 

(ГОСТ 1412-85)

Марка 
чугуна

Массовая доля элементов,% (осталь
ное – железо)
Механические свойства

C
Si
Mn

P
S
временное сопротивление 
при растяжении, Мпа, не 

менее

твердость 

по Бринеллю
не более

СЧ 10
3,5-3,7 2,2-2,6 0,5-0,8
0,3
0,15
100
143-229

СЧ 15
3,5-3,7 2,0-2,4 0,5-0,8
0,2
0,15
150
163-229

СЧ 18
180

СЧ 20
3,3-3,5 1,4-2,4 0,7-1,0
0,2
0,15
200
170-241

СЧ 21
210

СЧ 24
240

СЧ 25
3,2-3,4 1,4-2,2 0,7-1,0
0,2
0,15
250
180-250

СЧ 30
3,0-3,2 1,3-1,9 0,7-1,0
0,2
0,12
300
181-255

СЧ 35
2,9-3,0 1,2-1,5 0,7-1,1
0,2
0,12
350
197-269

Таблица 2

Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом

Марка 
чугуна

Плотность 
103

кг/м3

Линейная 
усадка, 
%

Модуль 
упругости 
при 
рас
тяжении, 
10-2 МПа

Удельная 
теплоемкость 
при 

температуре от 20 до 
200оС, 
Дж/(Кг ∙ К)

Коэффициент линейного расширения при температуре от 
20 до 200оС, 
106 1/оС

Теплопроводность 
при 20оС, 
Вт/ (м∙К)

СЧ 10
6,8
1,0
700-1100
460
8,0
60

СЧ 15
7,0
1,1
700-1100
460
9,0
59

СЧ 20
7,1
1,2
850-1100
480
9,5
54

СЧ 25
7,2
1,2
900-1100
500
10,0
50

СЧ 30
7,3
1,3
1200-1450
525
10,5
46

СЧ 35
7,4
1,3
1300-1550
545
11,0
42

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом – наиболее пер
спективный литейный сплав, с помощью которого успешно решают 
проблему снижения массы конструкций при сохранении их высокой 
надежности и долговечности. 

Отличительной способностью этого чугуна являются его высо
кие механические свойства (табл. 3), обусловленные шаровидной 
формой графита, которая в меньшей степени, чем пластинчатая в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлической основы и не 
оказывает на нее сильного надрезывающего действия, благодаря чему 
вокруг включений графита в меньшей степени создаются концентрации напряжений. 

Таблица 3

Химический состав чугуна с шаровидным графитом (ГОСТ 7293-85)

Марка 
чугуна

Массовая доля элементов, % (остальное – железо

С
Si

Mn
прочие

толщина стенки 

отливки

толщина стенки 

отливки

50
51-100
более 
100
50
51-100
более 
100

ВЧ35
3,3-3,8
3,0-3,5
2,7-3,2
1,9-2,9
1,3-1,7
0,8-1,5
0,2-0,6
0,5 Cr

ВЧ40
3,3-3,8
3,0-3,5
2,7-3,2
1,9-2,9
1,2-1,7
0,5-1,5
0,2-0,6
0,10 Cr

ВЧ45
3,3-3,8
3,0-3,5
2,7-3,2
1,9-2,9
1,3-1,7
0,5-1,5
0,3-0,7
0,10 Cr

ВЧ50
3,2-3,7
3,0-3,3
2,7-3,2
1,9-2,9
2,2-2,6
0,5-1,5
0,3-0,7
0,15 Cr

ВЧ60
3,2-3,6
3,0-3,3
2,4-2,6
2,4-2,8
0,8-1,5
0,4-0,7

0,15 Cr
0,30 Cu
0,40 Ni

ВЧ70
3,2-3,6
3,0-3,3
2,6-2,9
2,6-2,9
0,4-0,7

0,15 Cr
0,40 Cu
0,60 Ni

ВЧ80
3,2-3,6
2,6-2,9
0,4-0,7

0,15 Cr
0,60 Cu
0,60 Ni

ВЧ90
3,2-3,6
3,0-3,8
0,4-0,7

0,15 Cr
0,60 Cu
0,80 Ni

Примечание: Содержание фосфора до 0,1%, серы до 0,02%

Получение шаровидного графита в чугуне достигается при мо
дифицировании расплава реагентами, содержащими магний, кальций 
и т. д. Некоторые элементы (например, S, As, Sb,Bi – демодификаторы) препятствуют сфероидизации графита, поэтому их содержание 
должно быть минимальным. 

Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом отличается 

от серого чугуна более высокой прочностью, теплопроводностью, 
стабильностью свойств по толщине стенки отливки. Этот материал 
перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих 
в условиях теплосмен (например, в моторостроении). 

Вермикулярный графит получают путем обработки расплава чу
гуна лигатурами, содержащими РЗМ. Рекомендуемый химический 
состав и механические свойства чугунов приведен в таблице 4.

Таблица 4

Механические свойства чугуна с шаровидным графитом (ГОСТ 7293-85)

Марка
чугуна

Предел 

прочности на 
сжатие, МПа

Предел прочности, МПа

Твердость 
по Бринел
лю, НВ

Относительное 
удлинение, %

ВЧ35
350
220
140-170
22

ВЧ40
400
250
140-202
15

ВЧ45
450
310
140-225
10

ВЧ50
500
320
153-245
7

ВЧ60
600
370
192-270
3

ВЧ70
700
420
228-302
2

ВЧ80
800
480
248-351
2

ВЧ90
1000
700
270-360
2

Ковкий чугун – это менее перспективный материал из-за слож
ной технологии его получения и длительности производственного 
цикла. Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (углерода, кремния), чтобы полу