Литейный чугун (Giesserei-Roheisen, fonte de moulage, foundry pig). — Чугун, представляющий материал для выделки железа и стали (см. Кричный передел и Литая сталь), применяется также в значительном количестве для изготовления прямо готовых изделий посредством отливки в земляные формы. Для последней цели употребляются так наз. Л. чугуны, которые должны удовлетворять следующим требованиям: быть легкоплавкими, чтобы при сравнительно низких температурах могли точнее выполнять форму; давать плотные и беспузыристые отливки; давать малое изменение объема при застывании изделия. Кроме того, сообразно назначению чугун должен давать отливки, обладающие требуемой твердостью, прочностью и упругостью. Поэтому для получения металла соответствующего качества чаще всего составляют шихту из различных сортов чугуна и переплавляют их в вагранке или пламенной печи. Только в редких случаях пользуются жидким чугуном из доменной печи. Находяшиеся в чугунах примеси углерода, марганца, кремния, фосфора, серы и т. п. сильно влияют на свойства отливок, поэтому литейщик для составления шихты должен знать как химический состав находящихся чугунов, так и влияние его на качество изделия. Самое большое влияние оказывает углерод, находящийся в чугуне в виде графита, карбида или углерода закала (см. Чугун). Каждая из этих трех форм вызывает различные свойства, изменяя структуру, цвет излома и другие качества чугуна. Отношение содержания этих 3-х видоизменений углерода зависит как от общего содержания углерода и совместного присутствия других примесей, так и от условий остывания чугуна при отливке. Медленное остывание жидкого или накаленного добела чугуна вызывает выделение графита и карбида, при быстром же охлаждении углерод преимущественно находится в виде углерода закала. На этом явлении основано получение серого или отбеленного чугуна, отжиг и закалка чугунных изделий. Графит, отлагаясь в виде постороннего рыхлого вещества, разрыхляет чугун, придает ему мягкость и способность легко обрабатываться резцом, но при содержании выше 2,5% графита понижается прочность и вязкость чугуна, и он делается непригодным к отливкам. Иногда чугун и в расплавленном состоянии выделяет графит, который вместе с частичками железа всплывает на поверхность, образуя так наз. спель (Gaarschaum). Такое явление сильно затрудняет отливку, потому что нарушает однородность и чистоту поверхности. Присутствие углерода закала сильно повышает твердость и прочность чугуна, но избыток его (выше 0,7%) влечет за собою понижение прочности и увеличение жесткости и хрупкости. В зависимости от количества карбида в чугуне уменьшается количество углерода закала, поэтому и влияние этого последнего уменьшается; чугун делается мягче и вязче. Кремний вытесняет углерод из соединения с железом и способствует выделению графита. При содержании углерода около 5% самое небольшое количество кремния (около 0,5%) уже в состоянии вызвать выделение графита. При содержании от 3,5-5% кремния и от 3,5-3% углерода почти все его количество превращается в графит. Чем больше кремния в чугуне, тем он меньше насыщается углеродом. Непосредственное действие кремния на чугун подобно действию углерода закала, только оно около 5 раз слабее. Для отливок, которые должны обладать прочностью, Л. чугуны, бедные углеродом, могут заключать больше кремния и наоборот. Это отношение, по Ледебуру, выражается приблизительно формулой: C+(S /1,5)=4,2 до 4,4, где С — полное содержание углерода, а S — кремния при условия, что S>1 и <3. Более высокое содержание кремния в Л. чугуне вредно влияет на прочность. Влияние марганца на соединение углерода с железом противоположно кремнию: оно препятствует образованию графита, следовательно, получению серого чугуна, и способствует большому поглощению углерода железом. Небольшие количества его понижают температуру плавления и увеличивают жидкоплавкость чугуна, большие наоборот. Вообще марганец, возвышая в значительной степени твердость и хрупкость отливок, считается ненужной примесью, однако в некоторых случаях желательно его присутствие в Л. чугуне, потому что он защищает железо и другие примеси при плавлении от окисления. Фосфор сильно влияет на качество чугуна: он увеличивает твердость, заметно уменьшает упругость и вязкость. Обнаруживается это дурное влияние фосфора в изделиях, подвергаемых изгибу, ударам или сотрясениям; такие изделия ломки и хрупки. Степень этого влияния растет с содержанием углерода закала и марганца и уменьшается с содержанием кремния, поэтому кремнистые чугуны менее чувствительны к вредному влиянию фосфора, чем чугуны марганцовистые. Для отливок, от которых требуется высокая прочность, хорошим считается чугун, не заключающий более 0,3% фосфора. Содержание фосфора в значительной степени увеличивает жидкоплавкость чугуна, вследствие чего он точнее выполняет форму изделия и по застывании получает более гладкую поверхность. Поэтому фосфористым чугуном часто пользуются, особенно при отливках изделий, служащих для украшений. Сера уменьшает степень насыщенности углеродом и препятствует выделению графита, т. е. способствует образованию белого чугуна, бедного углеродом. В присутствии серы чугун даже при высоких температурах остается густым и плохо заполняет форму. Поэтому для тонких отливок сернистые чугуны вовсе не употребляются. Содержание серы менее 0,1% увеличивает прочность и упругость. При отливках примеси чугунов часто выделяются и всплывают на поверхность беловатые, очень твердые вещества в виде шариков, которые носят название алмазного чугуна (Diamanteisen). Медь действует наподобие серы, но гораздо слабее.
В зависимости от содержания вышеупомянутых элементов и от влияния их на свойства Л. чугунов они разделяются по виду излома на серые и белые. В Л. деле употребляют главным образом только серый чугун, белые же идут в передел или иногда служат прибавкой к сильно кремнистым чугунам. Серый чугун по виду излома в разных местностях имеет разную нумерацию и разные названия. На юге России коксовый чугун сортируют на 6 номеров; на Урале древесноугольный — на 4 номера. Первые номера соответствуют самым темным и более кремнистым, причем № 1 древесноугольного чугуна соответствует по цвету № 3 коксовому. Таблица показывает химический состав различных сортов Л. чугунов.
| Графита | Всего углерода |
Кремния | Марганца | Фосфора | Серы | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Коксовые чугуны | ||||||
| Шотландский Coltnes № 1 | 3,30 | 3,50 | 3,50 | 1,58 | 0,98 | 0,02 |
| » » № 2 | 3,41 | 3,75 | 2,77 | 1,33 | 0,81 | 0,02 |
| » » № 3 | 2,54 | 2,82 | 2,16 | 0,67 | 0,51 | — |
| Шотландский Langloan № 1 | 3,40 | 3,86 | 2,93 | 1,62 | 0,75 | 0,07 |
| Английский литейн. Clarance № 3 | 3,39 | 3,52 | 2,5 | 0,68 | 1,49 | 0,05 |
| Рейнский » » № 1 | 3,16 | 3,65 | 2,11 | 0,97 | 0,85 | 0,02 |
| Английский » Harrington № 1 | 3,75 | 4,10 | 3,22 | 0,16 | 0,07 | 0,05 |
| Древесноугольный чугун | ||||||
| Уральский юрезанский серый № 1 | 3,15 | 3,65 | 1,08 | 1,05 | 0,05 | 0,04 |
| То же каменский литейный № 1 | 2,68 | 3,27 | 1,04 | 0,46 | 0,12 | — |
| Шведский пушечный (Финспонг) | 2,62 | 2,80 | 1,19 | — | 0,11 | 0,08 |
| » литейный марки OGT | 4,22 | 4,57 | 0,89 | — | — | 0,03 |
| » завода Сандвикен W. S. 3 | 3,65 | 4,09 | 0,93 | 0,65 | 0,02 | 0,02 |
| Английский ланкаширский | 0,531 | 2,217 | 0,95 | — | — | 0,015 |
При составлении шихты важно также знать изменение химического состава чугуна при переплавке его в вагранке или в отражательной печи. Чугун при расплавлении подвергается действию окислительных газов и теряет часть своих примесей, причем в пламенных печах эти потери более значительны, чем в вагранках. Больше всего окисляется марганец и кремний. Сера и фосфор совсем не выгорают, а от общего уменьшения примесей их процентное содержание даже увеличивается. Углерод в присутствии марганца и кремния тоже не окисляется, а, напротив, содержание его увеличивается от происходящей цементации вследствие непосредственного прикосновения плавящегося чугуна с коксом. Выгорание кремния сопровождает уменьшение графита, поэтому чугун после переплавки отбеливается, т. е. становится светлее и жестче. Опыты показали, что марганец защищает кремний от выгорания, как это видно из следующей таблицы, показывающей влияние переплавки чугуна в вагранке на химический состав и прочность чугуна.
| Химический состав в % | Сопротивление изгибу | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Кремния | Графита | Всего углерода |
Марганца | Фосфора | Серы | Сопро- тивл. в атмо- сферах |
Прогиб в мм. | |
| Чугун до переплавки | 2,30 | 2,35 | 3,10 | 2,00 | 0,29 | 0,06 | — | — |
| После 1-й | 2,42 | 2,73 | 3,38 | 1,09 | 0,31 | 0,04 | 2250 | 22,0 |
| » 2-й | 2,29 | 2,57 | 3,32 | 0,80 | 0,32 | 0,05 | 2500 | 22,4 |
| » 3-й | 1,92 | 2,48 | 3,30 | 0,66 | 0,27 | 0,05 | 3010 | 28,1 |
| » 4-й | 1,38 | 2,54 | 3,34 | 0,44 | 0,30 | 0,10 | 3585 | 27,1 |
| » 5-й | 1,30 | 2,16 | 3,31 | 0,45 | 0,30 | 0,09 | 2805 | 16,0 |
| » 6-й | 1,16 | 2,08 | 3,34 | 0,36 | 0,28 | 0,20 | 2100 | 11,7 |
Для получения отливки определенных размеров важно знать усадку металла, т. е. насколько он уменьшает свой объем при остывании, и сообразно с этим увеличить размеры модели. Чем больше выделяется при остывании графита, тем усадка меньше, и наоборот, углерод закала увеличивает ее. Из этого следует, что при медленном охлаждении усадка будет меньше, при быстром же больше. Она зависит также от того, при какой темп. чугун отливают. С величиною усадки тесно связаны внутренние натяжения, развивающиеся при остывании чугуна и вызывающие надрывы и трещины, особенно в предметах неодинаковой толщины. Поэтому для отливок те сорта чугуна заслуживают наибольшего доверия, которые обладают наименьшей усадкой. С увеличением удельного веса чугуна увеличивается усадка; для серого и белого чугуна удельный вес близок к 7,5. Средняя линейная усадка для серого чугуна равна около 1/96 части линейных размеров модели, для белого же чугуна принимается от 1/55—1/60. Количество растворенных газов в чугуне имеет также большое значение для отливок, потому что они влияют на плотность отливок. Это количество зависит главным образом от состава чугуна. Опыты показали, что чугуны, богатые содержанием кремния и углерода и бедные марганцем, как, например, серые графитистые чугуны, содержат наименьшее количество газов. Фосфористые чугуны также менее растворяют в себе газов, чем свободные от фосфора. Наконец, содержание серы в чугуне служит часто поводом пузыристости отливок. Зная, таким образом, состав чугуна и влияние составных частей на его свойства, легко подобрать соответствующую смесь разных сортов чугуна для данной отливки. Для этой цели кроме анализа пользуются часто определением свойства чугуна по виду излома, литьем пробных брусков и испытанием их прочности. В первом случае степень пригодности чугуна определяется крупностью зерна. Но так как величина зерна зависит также и от условий остывания, то этот способ не очень точен. Однако у одной и той же марки величина зерна возрастает с содержанием кремния и углерода. Хороший для переплавки Л. чугун имеет излом серого цвета, блестяще-зернистое сложение средней крупности и зерно без всяких проблесток белого чугуна. Более темные, почти черного цвета в изломе чугуны с крупным зерном обладают малою вязкостью — их употребляют только в смеси с чугунным ломом или с более твердыми сортами чугуна. Для более точного испытания смеси чугунов расплавляют, отливают в песок квадратные бруски длиною в 1 метр при стор. кв. 20-30 мм. Затем определяют величину усадки, вид излома и подвергают бруски пробе на изгиб. Для этой цели служат приборы, посредством которых нагрузка на брусок производится плавно, без ударов. Пропадающий при удалении нагрузки изгиб указывает на упругость чугуна, а остающийся — на его вязкость. По величине нагрузки, нужной для излома бруска, определяют прочное сопротивление в кгр. на кв. мм по формуле 4WK=Pl, K=Pl/(4W), где K — напряжение на кгр. на кв. мм, Р — нагрузка, l — расстояние между опорами, W — момент сопротивления сечения изгибу. Если брусок выдерживает меньше 25 кгр. на кв. мм, то это указывает, что к этому чугуну следует прибавить других сортов, увеличивающих прочность. Сопротивление в 35 кгр. указывает на значительную прочность. Сплавляя вместе несколько сортов в наиболее удобной пропорции, всегда можно регулировать свойства чугуна соответственно данной цели. Для мягких, небольших отливок употребляются более графитистые чугуны с содержанием около 2,5% графита и от 3,2—3,5% С. Для крупных, более сложных и медленно остывающих отливок, как, например, воздуходувных или паровых цилиндров, берутся чугуны около 2% Si. Для колонн, кронштейнов и балок и вообще предметов, от которых требуется большая прочность, должны употребляться чугуны с высоким сопротивлением, не заключающие в себе вредных примесей. Для этого употребляются часто сильнокремнистые чугуны с прибавкой хорошего чугунного лома или даже стали в такой пропорции, чтобы содержание кремния было от 1,2 до 1,5%. Прибавляя к серому чугуну ок. 10% стального лома, сопротивление излому можно увеличить от 20 до 25%. Для предметов из закаленного чугуна, как, например, прокатных валов, употребляются малокремнистые чугуны. Чугун, содержащий много кремния, дает крайне незначительную закалку. Вообще металл для производства закаленных отливок должен содержать не более 0,75% кремния, как можно меньше серы и фосфора, от 0,7-0,8% марганца, от 2,5 до 3% графита и около 0,5 до 0,7 соединенного углерода. Следующая таблица показывает зависимость глубины закала и прочность брусков от химического состава чугуна.
| №№ брусков |
Соеди- ненного углерода |
Графита | Фосфора | Кремния | Серы | Марганца | Глубина закала |
Сопротивл. изгибу в кгр. на кв. мм |
Прогиб до излома, в мм |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,41 | 3,125 | 0,41 | 1,44 | 0,077 | 0,648 | 5 | 36,4 | 25 |
| 2 | 0,603 | 2,89 | 1,36 | 1,36 | 0,08 | 1,27 | 20 | 54,0 | 28 |
| 3 | 0,493 | 2,40 | 0,81 | 0,81 | 0,23 | 0,44 | 25 | 45,0 | 26 |
| 4 | 0,78 | 2,84 | 0,60 | 0,60 | 0,08 | 0,99 | 40 | 43,0 | 14 |
| 5 | 0,54 | 2,99 | 0,513 | 0,513 | 0,07 | 0,93 | 40 | 42,2 | 14,5 |