Ковкий чугун используется во многих областях человеческой деятельности благодаря своим высоким прочностным свойствам и хорошей коррозионной стойкости.
Ковка чугуна
Ковкий чугун — это тип чугуна, получаемый путем термической обработки белого чугуна. Характерной особенностью ковкого чугуна является наличие графита в виде хлопьев.
Ковкий чугун не является чугуном, полученным методом ковки. Изделия из ковкого чугуна могут деформироваться при высокой влажности, даже при комнатной температуре. Это свойство ковкого чугуна и дало ему название. Ковкий чугун производится методом литья. Интересным и важным свойством ковкого чугуна является отсутствие внутренних напряжений.
Виды чугунов
Следует помнить, что все чугуны делятся на следующие группы:
- белые;
- серые (ГОСТ 1412);
- ковкие (ГОСТ 1215);
- высокопрочные (ГОСт 7293 ).
В белом чугуне углерод находится в форме цементита. Белый чугун обладает высокой твердостью и износостойкостью. Из-за высокой твердости белый чугун очень трудно поддается механической обработке.
В сером чугуне углерод присутствует в виде ламелей. Серый чугун не такой твердый, как белый. Его основное применение — в конструкциях, которые не подвергаются ударным нагрузкам.
В ковком чугуне графит находится в виде хлопьев. Ковкий чугун используется для изделий, которые подвергаются высоким ударным и вибрационным нагрузкам.
В ковком чугуне графит имеет сферическую форму. Высокопрочный чугун изготавливается путем модифицирования магнием, что позволяет углероду принимать сферическую форму. Высокопрочный чугун имеет схожие свойства с углеродистыми сталями. Из высокопрочного чугуна изготавливают поршни, коленчатые валы и различные компоненты тормозной системы.
Получение ковкого чугуна
Как упоминалось ранее, ковкий чугун изготавливается путем термической обработки белого чугуна, а затем его обжига (выдерживания при определенной температуре).
Поскольку белый чугун обладает плохими литейными свойствами, при производстве ковкого чугуна необходимо принять меры для уменьшения дефектов литья. Для этого белый чугун перегревают и учитывают его усадку во время литья, а также изменение размеров полостей во время литья, которое происходит при температуре 1350-1450°C.
Закалка ковкого чугуна осуществляется в специальных камерах, где отливки хранятся в контейнерах вместимостью до 300 отливок.
Ковкий чугун достигает своей максимальной прочности при отжиге в сосудах из хромистого белого чугуна.
Чугун с шаровидным графитом производится в электрических муфельных печах, которые могут гибко регулировать температуру в режиме покера, не соприкасаясь с емкостями для продуктов сгорания, м с уложенными заготовками.
Классификация и структура чугунов по форме графитных включений.
Идентификация отливок из серого, ковкого и ковкого чугуна.
Чугунами называются сплавы железа (Fe) с углеродом (С >Кроме того, в состав чугуна входят полезные и вредные примеси (сера и фосфор). Полезные примеси добавляются в чугун специально для улучшения его физико-химических свойств и называются легирующими элементами.
Сплавы классифицируются по следующим свойствам.
Углерод в чугуне может находиться в связанном состоянии в виде карбида, называемого цементитом (Fe3C), а также в частично или полностью свободном состоянии в виде графита. Состояние углерода в чугуне определяет его прочностные характеристики.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
Серый чугун — углерод частично или полностью свободен в виде графитовых включений.
Белый чугун — весь углерод присутствует в виде цементита Fe3C,
Серый чугун образуется при низкой скорости охлаждения, белый чугун — при высокой скорости охлаждения.
Графитовые включения образуются следующим образом:
Читайте также: Производство чугуна: сырье, технология процесса и оборудование.
-графит пластинчатый (рис. 28L, a),
-графит в хлопьях (рис. 28L, b),
-сферический (шаровидный) графит (рис. 28L, c),
-игольчатый графит (рис. 28L, d).
Графитовые включения являются концентраторами напряжений. Чем острее концентратор напряжений, тем ниже напряжения и тем меньше разрушение изделия. Поэтому форма графитовых включений определяет прочность чугуна. Графитовые пластины имеют более острые края, чем другие формы графитовых включений. Поэтому чугуны с пластинчатыми графитовыми включениями имеют самую низкую прочность, а чугуны с шаровидными (сферическими) графитовыми включениями — самую высокую прочность. Чугуны с пластинчатым и вермикулярным графитом занимают промежуточное положение.
a — пластинчатый графит, b — чешуйчатый графит, c — шаровидный графит, d — вермикулярный графит.
Схематическое изображение графитовых включений.
В зависимости от формы графитовых включений различают следующие:
— Серый чугун — чугун с пластинчатым графитом,
Высокопрочный чугун — чугун с шаровидным (сфероидальным) графитом,
-высокопрочный ковкий чугун с шаровидным графитом,
— ковкий чугун — чугун с хлопьями графита.
Маркировка чугуна
Серый чугун извлекается из руды в доменной печи. Структура серого чугуна формируется при низких скоростях охлаждения. Большая часть или весь углерод в сером чугуне находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита. Из-за этого излом имеет серый цвет.
Читайте также: Сплавы углерода с железом — сталь и чугун
Сталь-углеродистая сталь, сплав железа со сталью, оксид железа, сплав оксида железа со сталью, оксид железа, оксид железа и оксид железа, оксид железа и оксид железа, оксид железа и оксид железа, оксид железа и оксид железа. Серый чугун маркируется буквами SCh и цифрами, обозначающими предел прочности на разрыв (σ in). Например, маркировка СЧ18 означает, что данная марка чугуна имеет предел прочности при растяжении σ в = 180 МПа (18 кгс/мм2).
Литейные свойства: высокая текучесть и низкая усадка.
Область применения: серый чугун обладает высокой способностью гасить вибрации при переменных нагрузках (высокая циклическая пластичность), поэтому чугун используется для изготовления станин станков, прокатных станков, шкивов, маховиков, корпусов механических передач, блоков и корпусов двигателей автомобилей и тракторов, поршневых колец, гильз и т.д.
В ковком чугуне графитовые включения имеют сферическую форму. Это достигается путем модифицирования чугуна магнием, который составляет до 0,5% от массы чугуна. Сферическая форма графита не приводит к сильной концентрации напряжений, поэтому чугун обладает высокой прочностью на растяжение и изгиб.
Особенности производства ковкого чугуна
Форма графитовых включений и металлический каркас. Для получения ковкого чугуна необходимо использовать процесс, основанный на термическом отжиге слитков при определенной температуре. Этот процесс приводит к распаду цементита и аустенита. Таким образом, получается углерод, который кристаллизуется в хлопья графита.
Аустенит определяется как железо с решетчатой структурой с центральной поверхностью. Эта модификация является высокотемпературной. В углеродисто-железных сталях она может образовываться при температуре выше 727 градусов, а в чистом железе — при 910 градусах.
Окончательный процесс образования графита происходит при более низких температурах, в диапазоне 720-760 градусов. Углерод в этой модификации определяет такие свойства, как пластичность и прочность ковкого чугуна.
Процесс включает в себя термическую обработку ковкого чугуна в два этапа. Сначала материал подвергается воздействию температур до 1000 градусов Цельсия. В этих условиях отливки выдерживаются, в результате чего лентебурит распадается на графит и аустенит.
После отжига при высокой температуре изделие охлаждается до 720-760 градусов. При этом образуется перлит, который затем распадается на феррит и графит.
Чугун плавят в вагранках, пламенных печах и электропечах. Иногда этот процесс также осуществляется в комбинированных печах. Исходные отливки могут содержать различное количество углерода.
При производстве ферритного сплава необходимо использовать заготовки с меньшей концентрацией углерода. Такие изделия имеют высокую температуру плавления, поэтому для них требуется более высокая температура перегрева.
Обычно в такой ситуации для плавки используются две печи. Плавка происходит в купольной печи, а перегрев — в дуговой. Описанная технология плавки называется дуплекс-процессом.
Заготовки с высоким содержанием С используются для производства перлитных сплавов. Для плавки этого материала достаточно купольной печи.
Особенностью производства литейных форм является повышенная усадка белого сплава. В связи с этим процессом необходимо устанавливать боковые стояки на каждом местном утолщении отливки. Это позволяет избежать образования впадин.
Для увеличения скорости охлаждения в толстых участках отливки используют металлические охладители.
Влияние углерода и кремния на микроструктуру чугуна и зависимость микроструктуры от толщины чугуна.
Название этого материала обусловлено только его повышенными деформационными свойствами. На самом деле его нельзя ковать. Этот вид сплава используется так же, как и другие его виды.
Читайте также: Водопроводные трубы: Материал изготовления, как выбрать размер труб для водопровода.
Преимуществом ковкого чугуна по сравнению с белым чугуном является его высокая устойчивость к коррозии. По этому свойству материал превосходит углеродистую сталь. По механическим свойствам он уступает стали, но превосходит белый чугун.
Свойства, маркировка и применение перлитного ковкого чугуна
Из-за неполного отжига первичный и вторичный цементит и ледебурит успевают полностью раствориться в аустените, который при температуре 720 ˚C превращается в перлит. Последний представляет собой механическую смесь зерен феррита и третичного цементита. Часть углерода остается в связанном виде и определяет структуру, другая часть «высвобождается» в виде чешуйчатого графита. При этом перлит может быть пластинчатым или зернистым. Таким образом, образуется перлитный узловатый графит. Его свойства обусловлены насыщенной, более твердой и менее гибкой структурой.
По сравнению с ферритами они обладают более высокой коррозионной и износостойкостью, их прочность значительно выше, но их литейные свойства и пластичность ниже. Механическая пластичность повышается поверхностно, а твердость и пластичность сердцевины изделия сохраняется.
Классификация марок перлитных ковких чугунов: КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5.
Первая цифра — обозначение прочности: 450, 500, 560, 600, 650, 700 или 800 Н/мм2.
Вторая цифра — обозначение пластичности: относительное удлинение δ, % — 7, 5, 5, 4, 3, 3, 2 и 1,5.
Перлитный чугун с нодулярным графитом применяется в машиностроении и приборостроении для конструкций, подвергающихся высоким статическим и динамическим нагрузкам: распредвалы, коленчатые валы, детали сцепления, поршни, шатуны.
Особенности производства ковкого чугуна
Производство чугуна Cr имеет определенные тонкости, обусловленные особенностями литья и другими свойствами. Чугун, который является основным ингредиентом при производстве ковкого чугуна, не обладает очень хорошими литейными свойствами. В частности, он обладает низкой текучестью, высокой усадкой при охлаждении и склонен к образованию различных литейных дефектов. По этим причинам металл необходимо перегревать во время производства и принимать меры по контролю дефектов литья. Ковкий чугун может быть изготовлен с учетом усадки и изменения размеров деталей при затвердевании. Максимальная усадка — тонкие детали, минимальная — толстые. Процесс затвердевания происходит при температуре от 1350 до 1450 градусов Цельсия.
Отжиг (закалка) является наиболее важным этапом в производстве чугуна. Он проводится в отдельных помещениях, называемых отжиговыми цехами. Для отжига брикеты помещаются в контейнеры, изготовленные из различных видов стали или сплавов железа. Один контейнер может вмещать до 300 отливок весом до 1 500 кг на кубический метр. Ковкий чугун приобретает наибольшую прочность в емкостях из белого чугуна с добавками хрома и минимальным содержанием фосфора. Расход емкостей измеряется по весу и может составлять от 4 до 15 % от веса единицы продукции. Поэтому повышение прочности играет важную роль в определении стоимости готового ковкого чугуна. Чтобы избежать деформации готовых отливок, при укладке изделий в бункеры необходимо соблюдать особую осторожность. Их укладывают как можно плотнее, а для усиления эффекта пузыри засыпают песком или рудой. Эти материалы защищают оболочки от деформации и излишнего окисления. Для производства ковкого чугуна используются электрические печи. Это объясняется тем, что в процессе работы печи необходимо контролировать температуру, т.е. резкое повышение во время нагрева и быстрое понижение во время фазы графитизации. Кроме того, не лишней будет возможность регулировки воздушной смеси в печи.
Большинство печей, используемых для производства ковкого чугуна, имеют рубашку. Это означает, что продукты сгорания топлива не контактируют с емкостями, в которые укладываются изделия.
Отливки из ковкого чугуна проходят через несколько процессов очистки, а после отжига стояки удаляются и выпрямляются. Первым процессом очистки является удаление остатков литейного песка. Для этого используется пескоструйное оборудование или специальные зачистные барабаны. Остатки стояков удаляются с помощью абразивных материалов. Наиболее распространенными дефектами ковкого чугуна являются следующие:
- усадочные раковины;
- недолив;
- трещины и пр.
Некоторые дефекты не могут быть устранены путем дальнейшей термической обработки. Следует отметить, что производство ковкого чугуна требует строгого соблюдения всех требований ГОСТа, технологических правил и норм. Только в этом случае можно говорить о получении высококачественного ковкого чугуна, которым допустимо заменить другие дорогостоящие материалы — стали, цветные металлы.
Разновидности ковкого чугуна
Качество ковкого чугуна напрямую зависит от условий, в которых проводится отжиг. Этот процесс приводит к получению чугуна трех качеств:
- ферритный;
- перлитной;
- ферритно-перлитным.
Первый содержит в своем химическом составе феррит и углеродные хлопья. Второй содержит перлит и хлопья графита. Третий содержит феррит, перлит и хлопья углерода. Перлитный нодулярный чугун образуется в результате быстрого охлаждения заготовки, когда она находится в зоне распада. В этом случае в структуре чугуна наряду с ферритом присутствует и перлит. Он сохраняется даже при дальнейшем охлаждении брикета до температуры ниже 727 градусов Цельсия. Другими словами, можно сказать, что состав чугуна тесно связан с температурами отжига и наличием легирующих элементов.
Основные характеристики металла
Наиболее важные параметры чугуна с шаровидным графитом определяются количеством углерода в виде графита и наличием кремния. Перлитный сплав чугуна с шаровидным графитом содержит еще два компонента, а именно хром и марганец.
Различие в строении ковкого чугуна отражается и на конечных свойствах изделий, получаемых из него. К, примеру, заготовки, выполненные из ферритного чугуна, имеют меньшую твердость, чем те, которые производят из перлитного материала, но вместе с тем первые имеют повышенную пластичность. Графит в виде хлопьев обеспечивает высокие параметры прочности готовым деталям при относительно хорошей пластичности. Изделия из чугуна КЧ могут деформироваться в условиях комнатной температуры и влажности. Именно это свойство и определило название этого материала – ковкий. На самом деле, это условное название и не означает того, что готовые детали получают из него при помощи ковочного оборудования. Для производства изделий применяют литье. Главное свойство этого материала заключено в том, в том, что в нем отсутствуют напряжения.
Механические свойства ковкого чугуна расположены между серым чугуном и сталью. То есть, чугун этого типа обладает высокой текучестью, стойкостью к износу, коррозии, агрессивным веществам. Кроме того, этот материал отличается высокими прочностными свойствами. Так, деталь с толщиной стенки 7 – 8 мм выдерживает давление рабочей среды до 40 атм. Это позволяет использовать его для изготовления трубопроводной арматуры для газа и воды.
Следует отметить, что чугун очень хрупок и чувствителен к ударам при низких температурах.
Разновидности ковкого чугуна
Структурный состав чугуна зависит от условий процесса отжига. Он выпускается в виде:
- ферритным;
- перлитным;
- ферритно-перлитным.
Ферритный тип содержит феррит и чешуйчатый графит. Перлитный тип состоит из перлита и песчаного графита. Ферритно-перлитный тип содержит феррит, перлит и чешуйчатый графит.
Структура отдельных типов показана на диаграммах:
Чугун на основе перлита может быть получен путем более быстрого охлаждения отливок в зоне разложения. Тогда перлит содержится в структуре вместе с ферритом. Он сохраняется, если сплав охлаждается дальше, довольно медленно, ниже 727ºC.
Важно! Микроструктура ковкого чугуна зависит от температуры обработки и содержащихся в нем легирующих элементов.
На практике используются в основном первые два типа чугуна (фото и диаграмма ниже).
Свойства ковких чугунов
Технические характеристики и свойства ковкого чугуна определяются содержанием углерода в виде графита и кремния. Для перлитного чугуна также хромом и марганцем.
Структурное различие отражается и на свойствах изделия. Так, ферритные отливки имеют меньшую твердость, чем перлитные, но более пластичны.
Чешуйчатые включения графита придают изделию высокую прочность при достаточно хорошей пластичности. Они способны к пластической деформации при внутренних температурах. Отсюда происходит термин «ковкий». Это обозначение произвольно и не означает, что изделия могут быть изготовлены методом ковки. Они изготавливаются методом литья.
Одним из основных преимуществ ковких отливок является стабильность их свойств по всему сечению и отсутствие внутренних напряжений.
Физико-механические свойства этих отливок находятся между свойствами серого чугуна и стали. Они имеют:
- хорошей текучестью в жидком виде;
- свойством поглощения вибраций при периодически повторяющихся нагрузках;
- хорошей износостойкостью;
- стойкостью к коррозии, поэтому на них не действует влага, химические реактивы, в том числе топочный газ.
- высокой плотностью, например, заготовка, имеющая толщину 7-8 мм, способна выдержать давление при гидравлических испытаниях в пределах 40 атмосфер.
Этот факт позволяет использовать отливки для изготовления различных изделий в газовой и санитарной промышленности.
При низких температурах материал может стать хрупким при динамической нагрузке.
Маркировка чугуна
Изделия из ковкого чугуна маркируются символом КС, за которым следует цифра. Первая пара цифр — это средняя прочность на растяжение, уменьшенная на порядок, а вторая — процент относительного удлинения. Например, марка Cr 30-6 имеет предел прочности при растяжении σв= 294 Н/мм 2 и относительное удлинение δ = 6 %.
Согласно ГОСТ 1215-79, существует 11 марок ковкого чугуна.
В таблице приведены механические свойства различных марок.
Разновидности ковкого чугуна
Технология отжига и состав микроструктуры металла определяют, является ли ковкий чугун перлитным или ферритным. Различают промежуточную стадию феррит-перлит.
Ферритный класс чугуна
Описанный выше процесс используется для получения ковкого ферритного чугуна. Микроструктура такого сплава состоит из феррита (железа) с округлыми, изолированными включениями графита. При разрушении ферритный компонент сплава имеет черный и бархатистый цвет.
Ферритно-перлитный чугун
Металл с перлитно-ферритной структурой, в котором меньше углерода графитизировано и остается перлитный компонент.
Перлитно-ферритный ковкий чугун производится путем увеличения содержания легирующих элементов, которые предотвращают графитизацию. К ним относятся Mn, Cr, Mo, но чаще всего марганец. Также снижается содержание углерода и кремния — элементов, способствующих графитизации перлита.
Для получения перлитно-ферритного ковкого чугуна необходимо сократить время выдержки на стадии отжига 3 и ускорить охлаждение.
Перлитный класс чугуна
Для получения перлитной структуры отливки заливают порошком, изготовленным из смеси железной руды и металлолома. Под воздействием высокой температуры и окисленной железной руды поверхность металла постепенно обезуглероживается. Этот сплав дает серебристую или белую матовую поверхность.
Этот металл имеет нерегулярную структуру и макроструктуру. В центре слитка больше перлита. К краям доля восстановленного углерода уменьшается, а доля феррита увеличивается.
Для получения сплава с высокими механическими свойствами следует использовать белый чугун с пониженным содержанием углерода не более 3 %.
Свойства ковкого чугуна
Тип термической обработки и содержание легирующих элементов, углерода и кремния определяют механические свойства отожженного металла.
Чугун с перламутром характеризуется высокой прочностью на разрыв, твердостью, износостойкостью, антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью. Однако эти материалы имеют низкие значения относительного удлинения и, следовательно, низкую пластичность.
Ферритный чугун с желваками имеет более низкую прочность на растяжение, более низкую твердость и более высокое удлинение. Они имеют более низкую прочность на растяжение, но более высокую пластичность.
Рассматриваемый здесь сплав выгодно отличается от стали и серого чугуна по следующим параметрам:
- отношение предела текучести к пределу прочности выше, чем у стали, достигает 0,6-0,8 у перлитного сплава;
- рассматриваемый сплав перлитного класса превосходит серый чугун и даже высокопрочные конструкционные стали по твёрдости и прочности (630 Н/мм2);
- ферритный ковкий сплав по значению относительного удлинения превосходит этот показатель у серого чугуна в 10 раз, что говорит о его высокой пластичности.
Кроме того, отожженный металл имеет высокое значение внутреннего трения, что обеспечивает быстрое гашение вибраций, хорошие антифрикционные свойства и низкую чувствительность к механической обработке.
Легирование элементами Mn, Ti, Cr, Cu придает металлу высокую износостойкость. Если в расплав чугуна добавить хром и никель, то к повышенной износостойкости добавляется жаропрочность.
Маркировка ковкого чугуна
Правила маркировки изложены в ГОСТ 1215-79. Всего существует 11 марок. Группа обозначается буквами ФК, к которым добавляются два значения. Первое число обозначает предел прочности при растяжении. Второе число обозначает относительное удлинение в процентах.
Обозначение КЧ 45-7 означает: ковкий чугун с механическими свойствами: Предел прочности при растяжении 441 кгс/мм², с относительным удлинением 7 %.
Категория ковкого чугуна ферритного и перлитного типов.
Предел прочности при растяжении, МПа (кгс/мм²), не менее
Относительное удлинение, %, не менее
Твердость по Бринеллю NV
