Особенности высокопрочного чугуна. Как получить высокопрочный чугун.

Однако официальный день рождения сплава состоялся более чем на год позже — 25.10.1949 г. В этот день Кит Миллис наконец-то получил патент на изобретение ковкого высокопрочного чугуна

Технология получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Высокопрочный ковкий чугун, или сокращенно ВЧШГ, — это конструкционный материал с высокими прочностными свойствами и хорошими эксплуатационными характеристиками. Хорошо известно, что форма зерен графита в чугуне оказывает решающее влияние на прочностные свойства материала. В высокопрочном чугуне ВЧШГ включения графита имеют сферическую форму*. Поэтому чугун ВЧШГ явно превосходит серый чугун по механическим свойствам и успешно конкурирует со сталью.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом отличается от стали хорошими литейными свойствами (высокой текучестью, низкой склонностью к образованию горячих трещин, меньшей усадкой и т.д.), относительной простотой процесса плавки и более низкой стоимостью.

* Шаровидный графит также известен как узловатый графит или узловатый чугун.

Из истории высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ)

В 1943 году на съезде Американского литейного общества (AFS) Дж. У. Болтон поднял вопрос о контроле формы графита в сером чугуне. Несколько недель спустя американец Кит Дуайт Миллис в исследовательской лаборатории Международной никелевой компании (INCO) сделал следующее открытие: когда в расплав чугуна в печи добавляется магний, в отливках образуется не пластинчатый графит, а графит почти идеально сферической формы.

Исходя из вышесказанного, мы действительно можем считать 1943 год годом рождения высокопрочного ковкого чугуна (ВЧШГ). Наши источники 1 называют годом рождения ковкого чугуна 7 мая 1948 года, когда в Филадельфии состоялся съезд американских литейщиков и было сделано публичное объявление о получении ковкого чугуна.

Читайте также: Элегантная кухня из гипсокартона своими руками: 4 преимущества материала.

2 Авторы, однако, склонны считать официальный день рождения ковкого чугуна более поздним, а именно 25 октября 1949 года, когда Кит Д. Миллис получил патент на ковкий чугун под номером 2485760 (сплав чугуна).

В те же годы (1948-1949) в Киеве и Москве начали активно развивать это направление: Были созданы научные школы по разработке технологий производства чугуна с шаровидным графитом и изучению свойств высокопрочного чугуна…

Следует отметить, что российский стандарт на ковкий чугун, ГОСТ 7293-85, несмотря на то, что называется «чугун ковкий для отливок.

«, он распространяется как на высокопрочный ковкий чугун с шаровидным графитом, так и на высокопрочный ковкий чугун с вермикулярным графитом.

Разновидности ковкого чугуна

Класс качества ковкого чугуна с шаровидным графитом напрямую зависит от условий, при которых проводится отжиг. В результате этого процесса образуются три марки чугуна:

ферритный;
перлитной;
ферритно-перлитным.

Первый содержит в своем химическом составе феррит и углеродные хлопья. Второй содержит перлит и хлопья графита. Третий сорт содержит феррит, перлит и хлопья углерода.

Виды ковкого чугуна

Перлитный ковкий чугун образуется при быстром охлаждении заготовки, когда она находится в зоне распада. В этом случае в структуре чугуна наряду с ферритом присутствует перлит. Он сохраняется даже при дальнейшем охлаждении заготовки до температуры ниже 727 градусов Цельсия.

Другими словами, можно сказать, что состав чугуна тесно связан с температурами отжига и наличием легирующих элементов.

Что это такое и как его получают?

Прежде всего, это твердое карбонатное вещество с графитом, которое имеет шарообразную или шаровидную форму. Именно эта форма создает прочную межатомную связь и позволяет чугуну выдерживать огромные нагрузки. По этой причине высокопрочный чугун практически незаменим в машиностроении. Важнейшей особенностью этого материала является то, что он неоднороден по всему объему. Поэтому структура отдельных чугунных элементов, которые поступают из разных частей изделия, различна. Да, однородность сохраняется, шарообразность тоже, но различия в структуре все равно видны. Сегодня термическая обработка делает этот материал еще более желанным и улучшает его свойства. Теперь он заменяет некоторые виды отливок, которые раньше изготавливались, например, из серого или ковкого чугуна. Эта модернизация очевидна, например, в распределительных и коленчатых валах.

И способ получения этого материала заключается в обработке серого чугуна магнием или воском. Причем с магнием соединение более распространено и используется почти повсеместно для получения «ковкого железа» (часто называемого ковким чугуном). Горн используется гораздо реже, поскольку образует карбиды. Что касается истории, то нодулярный графит впервые был получен в сером чугуне в середине прошлого века. Американские исследователи нашли способ получения чугуна с конкретным графитом из гранита после того, как обнаружили важность добавления в чугун присадки. Это была сверхтекучая жидкость или компонент, содержащий магний.

Коммерческий успех не заставил себя ждать, и по сей день магнийсодержащая версия добавки широко используется. Интересно, однако, что точный способ образования графитовых узелков до сих пор остается спорным. Исследователям так и не удалось найти «примирителя», хотя на самом деле это никак не влияет на производство. Поэтому сегодня высокопрочный чугун производится в основном путем гранулирования серого чугуна.

Расплавленный серый чугун сначала раскисляется, а когда основной чугун готов, его структуры обрабатываются специальным способом, чтобы начать процесс гранулирования. Затем развиваются сложные технические свойства, в результате чего получается уникальный материал.

Свойства

Пластичный чугун» представляет интерес прежде всего благодаря своим свойствам. Самым важным из них является высокая прочность. В этом отношении он даже превосходит сталь. Какими еще свойствами обладает этот чугун?

достаточной пластичностью (что обозначается даже во втором его названии);
превосходным литьем;
отличной обрабатываемостью;
низкой плотностью (в сравнении со сталью);
неплохими поверхностными свойствами смазки;
усовершенствованными демпфирующими характеристиками.

Высокопрочный чугун содержит не более 4 процентов углерода, но если его содержание не превышает трех-четырех процентов, он считается лучшим выбором. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется сфер. При увеличении доли последнего улучшается и литейная способность, что благоприятно сказывается на текучести и подаче. Материал также содержит кремний, который является очень сильным активатором. Кстати, это не только активирует графит и улучшает его распределение, но и повышает общую механическую прочность материала. Кремний также повышает пластичность литого материала. Поскольку он также является стабилизатором феррита, он также повышает его твердость. Его присутствие также влияет на распределение графитовых шариков. Чем больше кремния, тем больше конкреций и феррита.

В чем разница между профнастилом С8 и С20. Профнастил с8 и с20 в чем разница?

Однако высокое содержание кремния приводит к образованию твердого графита, что означает, что отливки могут разрушаться хуже. Кроме того, содержание кремния в составе не должно быть слишком высоким, так как в этом случае материал может иметь более низкую энергию удара, более низкую теплопроводность и более высокую температуру удара. Содержание марганца в «ковком чугуне» также не должно быть слишком высоким, не более 0,5 %. Также важно контролировать содержание серы в составе, которое не должно превышать 0,01 %. Помимо описания основных химических элементов, следует также отметить высокие литейные свойства материала, разжижение в таких чугунах практически не встречается. Высокопрочный чугун также отлично поддается механической обработке — его можно точить, фрезеровать и полировать. Компоненты из этого материала также хорошо выдерживают сжимающие и абразивные нагрузки.

Обзор видов

Дифференциация основана на металлической основе. Существуют ферритные, перлитные и ферритно-перлитные чугуны. Все типы изготавливаются из серого чугуна с помощью добавок. К последним относятся магний и церий. Модифицированный серый чугун становится высокопрочным чугуном. Ферритный чугун состоит из феррита и нодулярного графита. Перлит — Сорбитолит или пластинчатый перлит. Смешанный тип содержит комбинацию свойств двух предыдущих типов.

Кстати, каждый тип высокопрочного чугуна имеет свое обозначение. Например, ВЧ 40-5: ВЧ — аббревиатура названия материала, 40 — прочность на разрыв, 5 — относительное удлинение в процентах. Согласно государственным стандартам, существуют требования к механическим свойствам чугуна, основанные на таких характеристиках, как предел прочности, относительное удлинение и предел текучести.

Для улучшения механических свойств отливки подвергаются различным видам термической обработки, таким как закалка и отпуск, отжиг и нормализация.

Свойства высокопрочного чугуна

Что касается свойств различных видов ковкого чугуна, то следует отметить, что, несмотря на их различия, все они обладают превосходными литейными свойствами и прочностными элементами. Кроме того, ковкий чугун характеризуется высокой пластичностью, хорошей обрабатываемостью и устойчивостью к циклическим нагрузкам, что обусловлено низким коэффициентом концентрации напряжений.

Характерные литейные свойства ковкого чугуна с включениями нодулярного графита следующие.

высокую жидкотекучесть;
низкую склонность к образованию горячих трещин;
малую усадку.

Применение высокопрочного чугуна

Высокопрочный ковкий чугун с включениями конкретного графита производится в виде отливок массой от нескольких сотен граммов до нескольких десятков тонн.

Механические свойства высокопрочного чугуна очень разнообразны и позволяют использовать его в строительстве.

коленвалов автомобильных и корабельных моторов;
тормозных суппортов, якорей дисковых тормозов, анкерных тормозных пластин и т. п.;
прокатных валков;
поршневых колец;
распорок подшипников качения;
поршней в ударных дрелях и т. д.

Помимо высокопрочных чугунных сплавов для строительства, в современном производстве часто используются специальные марки. Помимо высокопрочного конструкционного чугуна, существует множество других видов чугуна, таких как жаропрочные и прочные сплавы типа нирезиста, чугун с повышенной стойкостью к воздействию различных агрессивных факторов внешней среды, высокопрочный прокатный чугун и многие другие.

Сегодня высокопрочные чугунные сплавы широко используются для производства труб высокого давления.

Маркировка высокопрочного чугуна

Маркировка высокопрочного чугуна, в отличие от серого, включает в себя два числовых индекса, первый из которых указывает на прочность металла на разрыв, а второй — на величину относительного удлинения. Например, чугун марки ВЧ 38-17 имеет предел прочности при растяжении 38 кгс/мм2 и относительное удлинение 17%.

В таблице ниже приведены значения, которые должны быть достигнуты для механических свойств термообработанного металла:

Как производится «пластичное железо» (ВЧШГ)?

Выбор химического состава базовых сплавов предпочтителен для достижения безуглеродистой литой структуры. Также учитываются следующие факторы:

Влияние различных элементов на форму.
Распределение графита.
Структура матрицы.

На все вышеперечисленные факторы влияет скорость охлаждения.

Присутствие углерода

Увеличение содержания углерода также повышает литейную способность за счет улучшения текучести и подачи. Уровень содержания углерода должен быть связан с типом углеродного эквивалента:

CE = %C + 1/3 %Si + 1/3 %P

Углеродные эквиваленты, значительно превышающие параметр 4,3, способствуют росту и развитию графитовых сфер. Поскольку графит имеет гораздо меньшую плотность, чем расплавленное железо, эти сфероиды могут стать плавучими и всплыть на поверхность отливки. Такой рост приводит к сильной сегрегации углерода.

Присутствие кремния

Очень сильным бескарбидным активатором является кремний. Помимо активации графита и улучшения его распределения, кремний является самым сильным полезным элементом для повышения прочности и увеличивает пластичность при литье на 4%.

Присутствие марганца

Единственной целью при выборе содержания марганца является предотвращение образования карбидов в процессе литья. Предпочтительно, чтобы такое образование не превышало 0,5 %.

Дополнительным преимуществом более низкого содержания марганца является снижение склонности к поглощению водорода и минимизация риска перфорации. Следует отметить, что содержание марганца никогда не должно выбираться для контроля структуры матки.

Контроль содержания серы представляется очень важным для производства высокопрочного ковкого чугуна. Если основной металл, используемый для производства ковкого чугуна, содержит более 0,015% серы, необходимо увеличить содержание магния или других легирующих агентов. Кроме того, возникают проблемы с контролем дефектов и увеличивается количество солей. Поэтому содержание серы в 0,01 % считается оптимальным для процесса литья.

Фосфор снижает пластичность, ударную вязкость и свариваемость, а эти факторы отрицательно влияют на прочность отливки. По этим причинам в большинстве спецификаций допускается максимальное содержание фосфора 0,03 %. Эффективная практика заключается в том, чтобы содержание фосфора не превышало 0,04%. В некоторых случаях, когда это необходимо:

Разрушительный элемент и нейтрализация

Одной из целей производства высококачественного ковкого чугуна является получение продукта с тонким распределением хорошо сформированных конкреций в микроструктуре.

Процесс литья ковкого чугуна может привести к снижению механических свойств. Снижение механических свойств зависит от гранул или чешуйчатого графита в соответствии со стандартами «ISO 945» и «ASTM 247».

Малое количество элементов:

По отдельности или в комбинации, они разрушают магний с желаемым эффектом модуля упругости, поэтому эти элементы часто называют деструктивными или разрушающими элементами. Действие деструктивных элементов накапливается.

Небольшие количества двух или более деструктивных элементов, присутствующих в количествах, которые по отдельности не оказывают существенного влияния, могут совместно влиять на образование гранулированного графита

увеличение объема с увеличением размера профиля отливки. По этой причине приемлемые значения не могут быть установлены.

Эффект от использования материалов печной шихты, контролирующих подчиненные элементы, может быть оценен путем определения влияния на структуры графита в тестовом бруске или отливке.

Если элементы присутствуют изолированно, то неблагоприятные (разрушительные) эффекты возможны при добавлении следующих значений:

свинец (0,0005%),
висмут (0,002%,),
сурьма (0,004%),
титан (0,1%).

Практические способы плавления

Взаимосвязь между практикой плавления и типом и количеством используемого сферического сплава важна для литья и достижения физических свойств. Плавка в тигле является наиболее распространенным методом плавки ковкого чугуна. Кроме того, в некоторых литейных цехах используются электрические индукционные печи.

Химическая плавка в вагранке

Использование химических купольных печей требует строгого контроля материалов и вводимого кокса, поскольку образующийся кислотный шлак не способен снизить содержание серы в чугуне.

В результате содержание серы составляет от 0,06 до 0,12 %. Если содержание серы не удается снизить, необходимо увеличить количество сферического сплава. Однако плавка в химической плавильной печи позволяет контролировать легко окисляемое сырье, такое как хром и марганец.

Поскольку это более окислительный процесс, чем основной купольный процесс. Из-за умеренного поглощения углерода при плавке в кислой купольной печи и желаемого основного химического состава железа, использование вторичного железа ограничено.

Это ограничивает жесткий контроль состава и высокие температуры металла, но позволяет производить продукцию без горячего взрыва.

Традиционная плавка в вагранке

Традиционно используемая печная плавка имеет явное преимущество в контроле серы. Среднее содержание серы в основном расплаве перед окомкованием составляет 0,025-0,035%. Такое пониженное содержание серы в расплаве достигается на весовой основе:

более высоких эксплуатационных расходов,
более высоких потерь кремния при плавлении,
менее эффективного контроля температуры и состава,
большего поглощения углерода при плавлении.

Плавление электрическим способом

Электроплавка обеспечивает чистый и надежный расплав. Эта технология также обеспечивает наибольшую гибкость при выплавке различных марок железа. Электродуговые печи оказались менее популярными, чем индукционные.

Характер периодической работы и шумовое загрязнение от электродуговых печей упоминаются как факторы, снижающие популярность их использования. Электродуговые печи в основном используются в качестве первичных и двойных плавильных печей.

Электродуговые печи являются наиболее распространенным плавильным оборудованием для производства высокопрочного ковкого чугуна. Этот тип установок используется как в симплексном режиме в небольших литейных цехах, так и в качестве дуплексных установок.

Чертеж электрической индукционной печи, в которой плавится металл для литья ВЧШГ.

Печь без сердечника используется для первичной плавки, а канальная печь — для дуплексной плавки. Было показано, что высокочастотное оборудование подходит для работы с металлургической точки зрения, однако эксплуатация этого оборудования сопряжена с высокими затратами.

Однако, если желательны производительность и плавильная способность одиночной печи, высокая частота предпочтительнее. На практике было доказано, что индукционная печь без сердечника является наилучшей плавильной установкой для производства чугуна. Низкая частота обеспечивает лучшую циркуляцию и, следовательно, гомогенизацию расплава.

Особенности производства ковкого чугуна

Производство ковкого чугуна имеет множество тонкостей, обусловленных особенностями литья и другими свойствами.

Производство чугуна

Чугун, который является основным ингредиентом при производстве ковкого чугуна, не обладает хорошими литейными свойствами. В частности, он обладает низкой текучестью, высокой усадкой при охлаждении и склонен к образованию различных дефектов литья. По этим причинам металл необходимо перегревать во время производства и принимать меры для контроля дефектов литья. Ковкий чугун может быть получен с обязательным учетом усадки и изменения размеров деталей при затвердевании. Максимальная усадка — тонкие детали, минимальная — толстые. Процесс отжига проводится при температуре 1350-1450 градусов Цельсия.

Отжиг (закалка) является наиболее важным этапом в производстве чугуна. Он проводится в отдельных камерах, называемых закалочными. Для отжига брикеты помещают в сосуды, изготовленные из различных сталей или сплавов чугуна. Один сосуд может вмещать до 300 отливок, предполагая до 1 500 кг на кубический метр.

Температура плавления чугуна. Какая температура плавления чугуна?

Наибольшую прочность ковкий чугун приобретает в сосудах, изготовленных из белого чугуна с добавками хрома и минимальным количеством фосфора. Расход сосудов измеряется по весу и может составлять от 4 до 15 % от веса изделия. Поэтому увеличение долговечности играет важную роль в определении стоимости готового чугуна с шаровидным графитом

Читайте также: Какое приспособление лучше всего подходит для сварочного аппарата?

Чтобы избежать коробления готовых отливок, изделия следует укладывать в бункеры с большой осторожностью. Они укладываются как можно плотнее и засыпаются песком или рудой для повышения их ударопрочности. Эти материалы защищают изделия от деформации и излишнего окисления.

Для производства ковкого чугуна используются электрические печи. Причина этого заключается в том, что в процессе работы печи необходимо контролировать температуру, то есть резкое повышение во время нагрева и быстрое снижение 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 очищают несколько раз, а после отжига удаляют и выпрямляют стояки. Первым процессом очистки является удаление остатков литейного песка. Для этого используется пескоструйное оборудование или специальные зачистные барабаны. Для удаления остатков стояков используются абразивные материалы.

Дефекты ковкого чугуна

Наиболее распространенными дефектами ковкого чугуна являются следующие:

усадочные раковины;
недолив;
трещины и пр.

Некоторые дефекты не могут быть устранены дальнейшей термической обработкой. Следует отметить, что при производстве ковкого чугуна необходимо строго соблюдать все требования ГОСТа, технических правил и норм. Только в этом случае можно говорить о получении высококачественного ковкого чугуна, которым допустимо заменить другие дорогостоящие материалы — стали, цветные металлы.

Сфера применения

Ковкий чугун используется в машиностроении для производства станков, отдельных деталей автомобилей, конструкций и механизмов для железнодорожного транспорта и т.д.

Ферритное литье используется наиболее часто, так как оно несколько дешевле всех остальных видов литья. Перлитные отливки используются для производства деталей изделий и узлов, подвергающихся повышенным нагрузкам.

Чугун используется для производства тонкостенных отливок размером от 3 до 40 мм.

Б – высокопрочный чугун на феррито-перлитной основе.

После модифицирования чугуна магнием или воском в ковш добавляется 75 % ферросилиция. В отличие от модифицированного серого чугуна, ковкий чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и более низкое содержание марганца.

Металлический каркас ковкого чугуна состоит из феррита и перлита или только перлита (рис. 42). Этот чугун сочетает в себе ценные свойства стали и чугуна; он обладает относительно высокой прочностью при достаточной пластичности и ковкости. Изделия из высокопрочного чугуна могут работать в условиях абразивного износа благодаря повышенной износостойкости. Высокопрочный чугун сохраняет свою прочность лучше, чем серый чугун, поэтому его можно использовать при температуре до 400ºC (серый чугун выдерживает температуру до 250ºC).

Высокопрочный чугун характеризуется прочностью на растяжение (σ c) и относительным удлинением (δ), например, Vch 45-5, где 45 кгс/мм2 — прочность на растяжение, а 5% — относительное удлинение.

Стандарт предусматривает 10 марок высокопрочного чугуна: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-7, ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2.

Высокопрочный чугун применяется для изготовления многих высокопрочных чугунных деталей, ранее изготовлявшихся из стали, высокопрочных базовых и корпусных деталей (корпуса и рамы машин, крупные плиты, втулки, вкладыши, каретки, ролики, подвески, шестерни, направляющие подвесных машин и детали с поверхностной закалкой).

Податливый чугун.

В микроструктуре ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную структуру. Этот графит называется углеродом отжига. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун имеет более высокую прочность, пластичность и ковкость. Свое название он получил благодаря повышенной пластичности. Его нельзя ковать в прямом смысле слова.

Процесс производства чугуна с конкретным графитом состоит из двух этапов: производство деталей из белого чугуна и отжиг чугуна для цементирования. Во время отжига цементит белого чугуна разлагается и образует хлопья графита. В результате хрупкие и твердые отливки становятся вязкими и более мягкими. В зависимости от условий и процесса отжига чугун может иметь ферритную, перлитную и ферритно-перлитную структуру металла. Отжиг ковкого чугуна — очень длительный процесс, занимающий 70-80 часов. Однако его можно ускорить путем закалки чугуна с белой структурой перед графитизацией и путем модифицирования чугуна алюминием, бором, висмутом или титаном, что сокращает время отжига до 35-40 часов.

Ковкий чугун характеризуется по тому же принципу, что и высокопрочный чугун.

ГОСТ 1215-79 предусматривает 11 марок ковкого чугуна. Ферритный (рис. 43) чугун марок КЧ 35-10 и КЧ 37-12 применяют для изготовления деталей, подвергающихся высоким динамическим и статическим нагрузкам (коленчатые валы, коробки передач, ступицы, задние мосты, кронштейны), а чугун марок КЧ 30-6 и КЧ 33-8 — для изготовления менее ответственных деталей (гайки, клапаны, глушители, детали тормозов, педали, ключи и т.д.). Перлитные чугуны с шаровидным графитом марок 50-4, 50-5, 60-3, 65-3, 70-2, 80-1,5 обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошей плавностью хода. Они используются для производства карданных валов, зубчатых колес, червячных колес, поршней и втулок. муфт, тормозных колодок и коленчатых валов. Твердость ковкого ферритного чугуна достигает 165 НВ, а перлитного — 320 НВ.