Литейное производство : производство отливок из чугуна и стали

 
Новотроицкий филиал 
Кафедра металлургических технологий 

Е.В. Братковский, В.И. Воронцов, Л.Я. Козлов 

 

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО. 
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК 
ИЗ ЧУГУНА И СТАЛИ 

Лабораторный практикум 
для студентов специальности 1101 

Рекомендован редакционно-издательским  
советом института

МОСКВА 2002 

 

УДК 621.74.001.53 
 
Б87 

Б87 
Братковский Е.В., Воронцов В.И., Козлов Л.Я. Литейное производство: Производство отливок из чугуна и стали: Лаб. 
практикум. – М.: МИСиС, 2002. – 55 с. 

Лабораторный практикум по курсу «Литейное производство» для 
студентов специальности 1101 «Металлургия чёрных металлов» содержит 
пять лабораторных работ, посвященных наиболее сложному материалу курса: оценке структуры различных чугунов, модифицированию чугуна графитизирующими добавками, литейным свойствам железоуглеродистых сплавов, неметаллическим включениям в среднеуглеродистой стали и влиянию 
термической обработки на структуру и свойства отливок. 
 

 Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2002 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Указания по технике безопасности при выполнении 
лабораторных работ ................................................................................. 4 
Лабораторная работа 1 
Оценка структуры чугунных отливок ............................................... 6 
Лабораторная работа 2 
Модифицирование чугуна графитизирующими добавками.......... 16 
Лабораторная работа 3 
Литейные свойства железоуглеродистых сплавов ......................... 26 
Лабораторная работа 4 
Неметаллические включения в литой среднеуглеродистой стали ....... 37 
Лабораторная работа 5 
Влияние термической обработки на структуру  
и свойства отливок ............................................................................ 44 
Библиографический список ................................................................... 54 

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ 
БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ 
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

Наиболее частыми видами травм при выполнении работ в литейной лаборатории являются ожоги, поражение током и ушибы. 
Причинами ожогов в большинстве случаев является выброс расплавленного металла при загрузке в него влажной шихты в процессе 
плавки, брызги расплавленного металла, выброс жидкого металла 
при заливке в холодную металлическую или песчаную форму, неосторожное обращение с горячими отливками. 

Поражение электрическим током связано с непосредственным соприкосновением с токонесущими частями различных лабораторных установок, замыканием на корпус электрических печей и 
двигателей, нарушением заземлений, самопроизвольным подсоединением лабораторного оборудования к источникам питания. 

Основной причиной ушибов является неосторожность и небрежность в обращении с инструментом и литейными формами при 
их перемещении. 

Для предотвращения травм необходимо соблюдать следующие правила. 
1. Включать приборы в сеть необходимо только под присмотром лаборанта! 
2. Включать и выключать плавильные печи только в присутствии лаборанта. Перед включением проверить их заземление. 
3. Не допускать загрузки влажных, не подогретых шихтовых 
материалов и флюсов в жидкий металл. 
4. Выполнение любых операций с расплавленным металлом в 
печи (замер температуры, удаление шлака, рафинирование, модифицирование, переливание, отбор проб металла и др.) производить 
только при отключенном напряжении. При этом обязательно пользоваться защитными лицевыми щитками или очками, рукавицами и 
надевать головной убор. При работе использовать только окрашенный и просушенный плавильный инструмент. 
5. Необходимо подогревать металлические формы перед их 
заполнением жидким металлом. 

6. При заливке литейных форм металлом и переливе металла 
из печи в ковш обязательно пользоваться рукавицами, защитными 
лицевыми щитками или очками и головным убором. 
7. Извлечение отливки из литейных форм производить не менее чем через 10…15 мин после заливки. 
8. Загрузку любых материалов, стержней, литейных форм и 
изложниц в сушильные печи и их выгрузку осуществлять только при 
отключенном напряжении, предварительно надев рукавицы. 
9. Перед началом работы на оборудовании проверить его заземление. 
10. При подготовке формовочных и стержневых смесей материалы загружать только в неработающие бегуны. 
11. Травление макро- и микрошлифов проводить только в вытяжном шкафу. 
12. Литейные формы и грузы массой более 16 кг перемещать 
только под наблюдением лаборанта. 

Лабораторная работа 1 

ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ ЧУГУННЫХ 
ОТЛИВОК 

(4 часа) 

1.1. Цели работы 

1. Закрепление теоретических знаний о структурообразовании чугуна, влиянии различных технологических факторов на характер эвтектического и эвтектоидного превращений в чугуне. 
2. Приобретение 
навыков 
практического 
использования 
ГОСТ 3443–87 «Отливки из чугуна с различной формой графита. 
Методы определения структуры» для оценки и описания структуры 
различных типов чугунов. 
3. Приобретение навыков приготовления металлографических шлифов, выбора травителя, метода травления и изготовления 
фотографий микроструктуры чугуна. Выработка навыков использовать микроскоп для количественной и качественной оценки структуры чугунов. 
4. Приобретение навыков в определении твердости и микротвердости структурных составляющих чугунов. 

1.2. Теоретическое введение 

Основным процессом, определяющим структуру чугуна, а, 
следовательно, механические и служебные свойства чугунных отливок, является формирование высокоуглеродистой фазы. 
Чугун – это многокомпонентный сплав железа с углеродом, 
характеризующийся эвтектическим превращением. Его строение, а, 
следовательно, и механические свойства определяются многочисленными факторами. Наибольшее влияние оказывает состав сплава, 
т. е. содержание элементов, постоянно присутствующих в чугуне (С, 
Si, Mn, S, P), легирующих элементов, случайных примесей. Однако 
для формирования структуры чрезвычайно важны скорость охлаждения, термовременная обработка (перегрев и время выдержки) модифицирование и другие виды внепечной обработки сплава. Связь 

структуры и механических свойств чугуна наглядно отражена на 
структурных диаграммах, характеризующих, как правило, неравновесные условия формирования внутреннего строения сплава (микроструктуру). 
Возможность формирования разнообразных структур при 
кристаллизации и последующем охлаждении вытекает уже из рассмотрения диаграмм фазового равновесия железо – графит и железо – цементит (рис. 1.1). Характер эвтектического превращения определяет формирование высокоуглеродистой фазы. Распад эвтектической жидкости на аустенит (А) и графит (Г) или на аустенит и цементит (Ц) определяет получение качественно разных сплавов: серого и белого чугунов, соответственно. Возможно также формирование 
половинчатых чугунов, когда часть высокоуглеродистой фазы представляет собой графит, а часть – цементит. Ход эвтектической реакции, главным образом ее продолжительность, определяет количество, размеры, форму и взаимную ориентацию графита, размеры эвтектической ячейки. Форма и взаимная ориентация графита не могут 
быть изменены никакими видами термической обработки. 

 

Рис. 1.1. Диаграмма состояния системы Fe – C 

Характеристики и методы определения структуры чугуна 
конструкционного назначения приведены в ГОСТ 3443–87 (табл. 1.1) 

Таблица 1.1 

Структурные составляющие чугуна 

Структурная 
составляющая 
Оцениваемый параметр 
Обозначение 

Графит 

Форма включений 
Гф1…Гф13 

Размер включений 
Граз и средний размер – 
(длина или диаметр) 
включений графита, мкм 

Распределение включений 
Гр1…Гр9 

Количество включений 
Г2, Г4, Г6, Г10, Г12 

Металлическая 
основа 

Вид структуры: 
феррит 
перлит пластинчатый 
перлит зернистый 
троостит 
бейнит 
мартенсит 

 
Фе 
Пт1 
Пт2 
Т 
Б 
М 

Перлит (или 
феррит) 

Количество 
П (или Фе) и средняя 
площадь, занятая этими 
составляющими на микрошлифе, % 

Перлит 
Дисперсность 
Пд и среднее расстояние 
между пластинами цементита, мкм 

Цементит (или 
цементит ледебурита) 

Количество включений 
 
 
Площадь включений 

Ц и средняя площадь занятая цементитом на микрошлифе, % 
Цп и средняя площадь 
изолированных включений цементита, мкм2 

Фосфидная эвтектика 
Строение: 
псевдодвойная – фосфид и феррит 
псевдодвойная – фосфид и цементит 
тройная мелкозернистая 
тройная игольчатая 
тройная и пластины цементита 
 
Размер ячеек сетки 
 
Площадь включений 
 
 
Распределение 

 
Ф1 
Ф2 
Ф3 
Ф4 
Ф5 
 
Фраз и средний диаметр 
ячеек и сетки, мкм 
Фп и средняя площадь 
изолированных включений, мкм2 

Фр

На высоколегированный чугун стандарт не распространяется. 
Для описания графита на нетравленом шлифе при стократном 
увеличении оценивают форму, распределение, размеры и количество 
графита (табл. 1.2, 1.3). 

Таблица 1.2 

Размер включений графита в структуре чугуна 

Обозначение 
Длина включений 
графита, мкм 
Диаметр включений 
графита, мкм 

Граз15 
До 15 
До 15 

Граз25 
Свыше 15 до 30 
Свыше 15 до 30 

Граз45 
Свыше 30 до 60 
Свыше 30 до 60 

Граз90 
Свыше 60 до 120 
Свыше 60 до 120 

Граз180 
Свыше 120 до 250 
Свыше 120 до 250 

Граз360 
Свыше 250 до 500 
Свыше 250 до 500 

Граз750 
Свыше 500 до 1000 
 

Граз1000 
Свыше 1000 
 

Таблица 1.3 

Количество графита в структуре чугуна 

Обозначение 
Площадь, занятая графитом, % 

Г2 
До 3 

Г4 
Свыше 3 до 5 

Г6 
Свыше 5 до 8 

Г10 
Свыше 8 до 12 

Г12 
Свыше 12 

Необходимость и важность предусматриваемой ГОСТом 
классификации графита обусловлены значительным его влиянием на 
прочность и пластичность сплава. Это влияние сказывается на ослаблении поперечного сечения металлической основы и надрывающего 
эффекта. Отрицательное влияние графита тем ниже, чем меньше его 
количество, размеры отдельных включений, и чем больше их форма 
приближается к шаровидной. Чугун, характеризующийся высокой 
циклической вязкостью, менее чем сталь чувствителен к надрезам. 

Форма включений графита является одной из важнейших характеристик, определяющих тип чугуна. 

Классификация формы включений графита содержит тринадцать баллов: от Гф1 до Гф13 (см. табл. 1.1). Например, графит Гф1 и 
Гф2 характерен для серого доэвтектического и эвтектического состава; Гф7…Гф9 – для ковкого чугуна; Гф10…Гф13 – для высокопрочного чугуна. 

Размер включений графита оценивается по их длине или диаметру (в мкм) и обозначается следующим образом Граз15, Граз25, …, Граз1000 
(см. табл. 1.2). 

Распределение включений пластинчатого графита оценивается девятью баллами: от Гр 1 до Гр9. 
Основными являются следующие виды распределения: равномерное, неравномерное, веточное, сеточное, розеточное и междендритное. Распределение видов Гр1 и Гр2 характерно для средних и 
крупных чугунных отливок. В толстостенных отливках более характерно распределение вида Гр5, а в быстроохлажденных отливках – 
видов Гр6, Гр7 (см. табл. 1.1). 

Количество включений графита определяется визуально на 
микрошлифах путем сравнения их с эталонными структурами, либо 
инструментальными методами; обозначается следующим образом: 
Г2, Г4, Г6, Г10, Г12, где цифры указывают содержание графита в %, 
определяемое по занимаемой включениями площади микрошлифа 
(см. табл. 1.3). 
Тип структуры металлической основы (матрицы) чугуна оценивается следующим образом: феррит (Фе), перлит пластинчатый 
(Пт1), перлит зернистый (Пт2), троостит (Т), бейнит (Б) и мартенсит (М) (см. табл. 1.1). 
Наиболее распространенной является перлитно-ферритная 
матрица с различным количественным содержанием этих структурных составляющих. Процентная доля каждой из составляющих может быть определена визуально путем сравнения с эталонными 
структурами и обозначена числом после соответствующей буквы, 
например: П85 (Фе15), П20 (Фе80) и т. д. (табл. 1.4). 

Таблица 1.4 

Металлическая основа структуры чугуна 

Обозначение Площадь занятая
перлитом, % 
Обозначение 
Площадь занятая
ферритом, % 

П 
Свыше 98 
Фе0 
До 2 

П96 
Свыше 94 до 98 
Фе4 
Свыше 2 до 6 

П92 
Свыше 90 до 94 
Фе8 
Свыше 6 до 10 

П85 
Свыше 80 до 90 
Фе15 
Свыше 10 до 20 

П70 
Свыше 60 до 80 
Фе30 
Свыше 20 до 40 

П45 
Свыше 30 до 60 
Фе55 
Свыше 40 до 70 

П20 
Свыше 10 до 30 
Фе80 
Свыше 70 до 90 

П6 
Свыше 2 до 10 
Фе94 
Свыше 90 до 98 

П0 
Менее 2 
Фе 
Свыше 98 

Дисперсность перлита оценивается по пятибалльной шкале 
на основании межпластинчатого расстояния, определенного в микрометрах: от Пд0,3 до Пд1,6 (табл. 1.5). 

Таблица 1.5 

Степень дисперсности пластинчатого перлита в структуре чугуна 

Обозначение 
Расстояние между пластинами цементита, мкм 

Пд0,3 
До 0,3 

Пд0,5 
Свыше 0,3 до 0,8 

Пд1,0 
Свыше 0,8 до 1,3 

Пд1,4 
Свыше 1,3 до 1,6 

Пд1,6 
Свыше 1,6 

Оценка фосфидной эвтектики производится на основе характеристики ее строения: распределения (Фр), диаметру ячеек (Фраз) и 
площади включений (Фп), получаемых при исследовании микрошлифа. Эти параметры обозначаются буквой Ф с соответствующими 
индексами Фр, Фраз, Фп и численным значением параметра (табл. 1.6).