Проще всего отличить эти материалы, используя пять простых методов, основанных на внешних признаках и простых тестах.

По виду излома

Самый надёжный способ — разбить деталь или специально отлитую пробу. Рассмотрите свежий излом (не обработанную механически поверхность). У отливок из высокопрочного чугуна (ВЧ) структура на изломе мелкозернистая, цвет — чёрный или тёмно-серый (иногда с серебристым оттенком). Поверхность излома «бархатистая», матовая. У серого чугуна (СЧ) излом явно крупнозернистый, цвет серо-белый, а кристаллы графита имеют характерный металлический блеск (часто заметны крупные блестящие вкрапления).

По обработанной поверхности

Если деталь уже прошла механическую обработку (точёная, шлифованная поверхность), разница тоже заметна. Высокопрочный чугун даёт более чистую, блестящую поверхность с мелкой структурой. Серый чугун выглядит более матовым, «грязным», его структура заметно грубее.

По звуку при ударе

Возьмите любой небольшой металлический предмет (молоток, ключ) и постучите по детали. Высокопрочный чугун издаёт чистый, звонкий, продолжительный звук, похожий на звук удара по углеродистой стали. Эхо такого удара слышно заметное время. Серый чугун, напротив, звучит глухо, «деревянно», без эха. Звук быстро затухает. Этот метод очень удобен для быстрой оценки на месте.

По искрам при шлифовке

Если провести деталью о вращающийся шлифовальный круг (или поднести к нему искру), то форма и цвет искр тоже укажут на тип чугуна. У серого чугуна пучок искр тонкий, короткий, имеет оранжево-красный или тёмно-красный цвет. На конце искр часто видны перьевидные разветвления («кисточки»). Высокопрочный чугун даёт более яркие, длинные и многочисленные искры, напоминающие искры стали.

По прочности на разрыв

Это количественный метод, но он требует специального оборудования — твёрдомера (иногда используют портативные твёрдомеры ударного действия, по которым можно косвенно оценить предел прочности). Для серого чугуна (СЧ) предел прочности при растяжении (σв) составляет 80–340 МПа. Для высокопрочного чугуна (ВЧ) этот показатель лежит в диапазоне 400–900 МПа. Если у вас есть возможность сделать замер твёрдости, вы можете достаточно уверенно различить эти материалы.

Что ещё нужно знать

Имейте в виду, что при промышленной утилизации и приёмке металлолома наиболее распространённым методом является визуально-звуковой контроль прямо на месте. Самый точный из быстрых методов — определение по излому. Если требуется строгое подтверждение (например, для акта экспертизы), необходимо проводить металлографический анализ или хотя бы измерять твёрдость с последующим пересчётом в прочность.

Таким образом, руководствуясь этими пятью простыми признаками, вы сможете без специального лабораторного оборудования достоверно отличить отливку из высокопрочного чугуна от отливки из серого чугуна.

Базовые условия производства

Химический состав высокопрочного чугуна должен контролироваться особенно тщательно — малейшие отклонения приводят к браку. Необходимо жёстко соблюдать технологию начиная со входа сырья, выбора плавильного агрегата, режимов плавки, контроля температуры и заканчивая сфероидизирующей и модифицирующей обработкой в ковше.

Плавильное оборудование

Для получения качественного исходного расплава под ферритный высокопрочный чугун требуется обеспечить три главных условия. Во-первых, стабильный химический состав, точно соответствующий заданным пределам. Во-вторых, хорошее металлургическое качество: расплав должен быть чистым, без окислов и неметаллических включений. В-третьих, высокая температура выпуска: обычно в пределах 1500–1550 °C.

Формовочное оборудование

Важная особенность высокопрочного чугуна — большое графитовое расширение при затвердевании. Эту особенность можно и нужно использовать в производстве, но для этого требуется обеспечить высокую жёсткость и прочность литейной формы. Иначе форма «раздастся» под давлением расширяющегося металла, и отливка получится рыхлой, с усадочными раковинами. Поэтому выбор формовочной линии (особенно важно для безопочных машин и линий с невысокой жёсткостью опок) должен учитывать этот фактор.

Контроль качества сырья

Чушковый литейный чугун

Исходный чугун в чушках должен быть высокоуглеродистым, с низким содержанием кремния, фосфора и серы. Особенно опасны элементы-«спутники» (например, титан, свинец, сурьма), которые даже в малых концентрациях могут полностью подавить сфероидизацию. Необходимо избегать чугуна с крупными пластинами графита и большим количеством шлаковых включений. Выбор марки чугуна (то есть содержания кремния) определяется требованиями к металлической матрице будущей отливки и рецептурой шихты.

Для высокопрочного чугуна требуются специальные марки чугуна с низким содержанием фосфора (P ≤ 0,05%) и серы (S ≤ 0,02%). Обычный литейный чугун (с содержанием P ≤ 0,06% и S ≤ 0,03%) не всегда подходит.

Возврат собственного производства

Переплавлять литники и брак отливок из высокопрочного чугуна можно, но здесь требуется осторожность. Категорически запрещается использовать покупной чугунный лом неизвестного происхождения.

Стальной лом

Стальной лом служит для регулировки содержания углерода. Он может применяться и как основной шихтовой материал (при переплавке на углеродном носителе). Лом должен быть чистым, из углеродистой стали с известным химическим составом. Использование легированных сталей или лома с неизвестной историей недопустимо.

Сфероидизирующие и модифицирующие лигатуры

Сфероидизирующие лигатуры требуются стабильные и однородные по составу. Конкретный тип лигатуры выбирается в зависимости от типа плавильного агрегата, исходного содержания серы в чугуне и температуры выпуска металла.

При плавке в вагранке (из-за более низкой температуры металла, повышенной серы и худшей чистоты расплава) требуются лигатуры с высоким содержанием магния (Mg 7–9%) и редкоземельных металлов (Re 5% или 7%). При плавке в электропечах металлургическое качество расплава лучше, температура выше, поэтому можно использовать лигатуры с меньшим содержанием магния и редкоземельных: например, Mg 6–8% и Re 2–4%. Для тонкостенных мелких отливок применяют лигатуры с Mg 5–7% и Re 1–3%.

Модификаторы (инокулянты) критически важны. Их введение после сфероидизирующей обработки не только устраняет опасность отбела, но и повышает степень сфероидизации, делает графитовые шарики более мелкими, округлыми и равномерно распределёнными. Практика показывает, что эффективность модифицирования тесно связана с составом инокулянта. В России широко используется ферросилиций ФС75. Для повышенной эффективности и длительности действия применяются комплексные инокулянты на основе кремния с добавками бария, стронция, кальция, алюминия, висмута (силикобарий, силикокальций, силикостронций).

Контроль у печи

Выбор химического состава

Структура и свойства высокопрочного чугуна напрямую определяются его химическим составом. Базой является углерод и кремний; содержание марганца, фосфора и серы ограничивается через качество шихты.

Углерод и кремний. Для получения в литом состоянии ферритной матрицы (без отжига) применяют принцип «высокий углерод + низкий кремний + интенсивное модифицирование». Углеродный эквивалент выбирается из компромисса между литейными свойствами и механическими характеристиками. Для ферритного ВЧШГ с содержанием феррита более 80% и недопустимостью отбела углеродный эквивалент поддерживают в пределах 4,3–4,8%. Содержание углерода: 3,3–3,9%. Содержание кремния в исходном расплаве: 1,2–1,6%; после модифицирования: 2,6–3,0%. Важно не перевысить кремний, так как он упрочняет феррит, но одновременно делает его хрупким и снижает пластичность и ударную вязкость.

Марганец. Он способствует образованию перлита и упрочняет феррит, но резко ухудшает пластичность и ударную вязкость. Для ферритного чугуна марганец должен быть минимальным, обычно менее 0,4%. Для тонкостенных отливок — менее 0,2%.

Фосфор и сера. Они однозначно вредны. Фосфор создаёт хрупкую фосфидную эвтектику по границам зёрен, резко снижая ударную вязкость и пластичность. Сера препятствует сфероидизации. Требования: фосфор менее 0,06%, сера в исходном чугуне до обработки менее 0,04%, после обработки — менее 0,02%.

Остаточный магний и редкоземельные металлы. После обработки в чугуне должно сохраняться определённое количество остаточных магния (действует непосредственно на сфероидизацию) и РЗМ (служат для рафинирования, дегазации, связывания серы и нейтрализации вредных примесей). Однако магний и РЗМ — сильные карбидообразователи. Их избыток ухудшает форму графита, провоцирует отбел и дефекты (шлаковые включения, усадочные раковины, подкорковые пузыри). Поэтому принцип: при гарантированной сфероидизации остатки магния и РЗМ должны быть минимально возможными. Обычно остаточный магний: 0,03–0,05%, остаточные РЗМ: 0,02–0,03%.

Сфероидизирующая и модифицирующая обработка

Для успешной сфероидизации следует соблюдать ряд правил.

Конструкция разливочного ковша должна отвечать технологии. Рекомендуемое соотношение высоты к диаметру полости ковша: 1,0–1,2 (для лучшего усвоения магния). На дне ковша должна быть выемка («колодец») или порог для размещения лигатуры.

Лигатуру дробят на куски подходящего размера. Слишком мелкая фракция быстро всплывает и окисляется (не усваивается), слишком крупная медленно растворяется, затягивает реакцию и снижает температуру металла. Калибр кусков зависит от массы обрабатываемого металла. Лигатуру дробят в день плавки и не хранят долго, особенно во влажных условиях.

Количество добавляемой лигатуры определяется типом плавильного агрегата, температурой выпуска и содержанием серы в исходном чугуне. При электроплавке перед выпуском необходимо тщательно удалить шлак с зеркала металла в печи.

Способ обработки должен быть рациональным. При заливке лигатуру помещают в «колодец» и плотно засыпают сверху модифицирующим ферросилицием и чугунной стружкой. Ковш перед загрузкой лигатуры не должен быть раскалён докрасна (во избежание окисления лигатуры). При заливке струя металла не должна бить прямо в лигатуру. Подача металла должна быть равномерной, без перерыва, не слишком бурной и не слишком слабой. Количество залитого металла должно быть точным (допустимо не более 5% отклонения). Сразу после окончания реакции сфероидизации ковш прикрывают, вводят шлакоуловитель, перемешивают металл и удаляют шлак. Затем производят модифицирующую обработку (инокуляцию).

Главная задача модифицирования — устранение отбела, который провоцируется сфероидизирующими элементами, а также дополнительное улучшение сфероидизации, измельчение и равномерность распределения графитовых шариков. Разные инокулянты, их дозировки, способы и время ввода сильно влияют на свойства. Наилучшие результаты даёт многократное модифицирование, в том числе так называемое «инстантное» (потоковое или в литниковую чашу). Рекомендованная схема: инокуляция в ковш (первичная) + инокуляция плавающим ферросилицием на зеркало металла (вторичная) + инокуляция при заливке в ковш-дозатор или литниковую чашу (третичная). Практика подтверждает высокую эффективность такой схемы.

Контроль в ковше у печи

Качество сфероидизации можно оценивать несколькими методами. Классический метод — заливка треугольной пробы (обычно заливают вертикально или горизонтально). После застывания и охлаждения пробы до тёмно-красного каления её гасят в воде и разбивают. При хорошей сфероидизации излом имеет характерные усадочные впадины по бокам, мелкозернистое строение, серебристо-серый (серебристо-белый) цвет, матовый, при ударе слышен «звон стали» и ощущается запах карбида. Наличие единичных мелких чёрных точек означает неполную сфероидизацию. Серый цвет излома, крупное зерно, множество чёрных пятен и глухой звук указывают на несфероидизированный чугун.

Современные методы — экспресс-металлография у печи (шлиф залитой пробы). Степень сфероидизации должна быть не ниже 2 (по шкале). Также применяются спектральные анализаторы, позволяющие за две минуты получить точный и полный химический анализ расплава.

Особенности конструирования литниково-питающей системы

Литниковая система для высокопрочного чугуна должна проектироваться с учётом его специфических свойств. После сфероидизирующей обработки образуется много густого шлака, поэтому в системе необходимо предусматривать шлакоуловители, перегородки и другие меры шлакоулавливания. Чугун склонен к вторичному окислению — при турбулентном движении и разбрызгивании струи образуются оксидные плёнки («вторичный шлак»). Поэтому важна спокойная, горизонтальная, нижняя подводка металла в форму.

Благодаря графитовому расширению, при жёсткой форме можно получить отливку без прибыли (если масса и конфигурация позволяют). Однако ВЧШГ имеет кашеобразный характер затвердевания, и протяжённость зоны эффективного питания прибыли невелика. Поэтому при необходимости ставят несколько прибылей или комбинируют прибыли с холодильниками.

Исходя из этого, для ВЧШГ обычно применяют полузакрытые или открытые литниковые системы.

Скорость охлаждения отливки в форме зависит от времени выбивки. Разное время выбивки даёт разную металлическую основу. Для получения ферритной структуры в литом состоянии мало иметь сырую песчаную форму с достаточной податливостью. Важно обеспечить длительную выдержку отливки в форме для замедленного охлаждения. Как минимум, необходимо остудить отливку в форме до температуры ниже 650 °C — только после этого её можно выбивать из формы.

За последнее десятилетие активного развития технологии автоматической формовки, автоматической заливки и автоматического смесеприготовления достигли высокой степени зрелости. Сегодня большинство формовочных линий работают по принципу: пневматический вдув песка + гидравлическое уплотнение для автоматического изготовления песчаных форм.

Вертикальная опочная формовочная машина

Это оборудование использует сжатый воздух для вдува формовочной смеси в формовочную камеру с модельной оснасткой в вертикальной плоскости. Отсюда и название — вертикальный вдув.

Как работает:
После завершения вдува смесь внутри формовочной камеры уплотняется гидравлическим цилиндром в горизонтальном направлении.

Преимущества:

• Очень высокая производительность — до 300–500 форм в час.

• Идеальна для крупносерийного производства простых отливок.

Для каких отливок подходит:

• Строительный крепёж,

• Элементы канализации,

• Чугунная арматура и фитинги.

Ограничения и требования:

• Высокая стоимость оборудования и эксплуатации.

• Жёсткие требования к качеству формовочной смеси (необходима мощная, хорошо отлаженная система подготовки «сырой» смеси — green sand).

• Нужна быстрая заливка форм и высокая производительность плавильного оборудования (электропечи достаточной ёмкости).

Горизонтальная опочная формовочная машина

Этот тип машин тоже использует вдув песка сжатым воздухом и гидравлическое уплотнение. Главное отличие: модель делит формовочное пространство на верхнюю и нижнюю опоки в горизонтальном положении.

Как работает:
Готовая форма находится в горизонтальном положении, и заливка металлом тоже происходит в горизонтальной плоскости.

Преимущества:

• Удобство установки стержней (опускание стержней — core setting).

• Быстрая переналадка на другую модель.

• Гибкий режим работы: можно формовать днём (когда дороже электричество), а заливать ночью.

• Относительно низкие инвестиции и низкая стоимость эксплуатации.

• Широкая номенклатура отливок.

Производительность: 60–120 форм/час.

Для каких отливок подходит:

• Мелкие и средние отливки,

• Относительно сложные фасонные детали.

Дополнительно:
Машины этого типа во многом стали прямой заменой ручной формовки по сырой земле. Они позволяют надёжно контролировать качество и снижать себестоимость отливки.

Многоконтактная статическая прессовая линия

Это наиболее технологичный и дорогой вариант. Смесь засыпается в опоку, а затем уплотняется несколькими гидравлическими элементами (плитками) под высоким давлением.

Как работает:
Готовая форма с опокой (не извлекается из опоки) движется как единое целое через все операции: транспортировку, опрокидывание, сборку, заливку.

Преимущества:

• Отличное равномерное уплотнение по всему объёму формы.

• Низкий уровень шума в работе.

• Высокий выход годного.

• Позволяет формовать самые сложные отливки (глубокие полости, сложная конфигурация).

Производительность: 40–110 форм/час (зависит от размера опоки и сложности).

Для каких отливок идеально подходит:

• Блоки цилиндров двигателей,

• Тормозные барабаны,

• Другие сложные автомобильные отливки.

Ограничения и требования:

• Самая высокая стоимость линии и эксплуатации.

• Требует больших площадей цеха.

• Высокая автоматизация — формовка и заливка идут синхронно, нужна бесперебойная работа плавильного и заливочного оборудования.

• Используется в основном на крупных литейных заводах.

Краткое сравнение в таблице

Как выбрать линию?

Выбор типа линии определяется тремя главными факторами:

1. Номенклатура и сложность отливок (простые, средние, сложные).

2. Объём производства (тысячи тонн в год или десятки тысяч).

3. Доступный бюджет и площадь цеха.

Практический совет:

• Для массового выпуска простого крепежа и фитингов — вертикальная линия (дорого, но быстро и много).

• Для универсального цеха со средней номенклатурой и ограниченным бюджетом — горизонтальная машина без опоки (золотая середина).

• Для сложного автомобильного литья и максимального качества — многоконтактная статическая линия (дорого, качественно, технологично).

Если у вас остались вопросы по подбору формовочной линии для ваших задач, обратитесь к нашим технологам — мы поможем рассчитать требования к смеси, производительность и бюджет.