Каким образом получают ковкий чугун

Ковка чугуна

Ковкий чугун – это разновидность чугуна, полученного термической обработкой белого чугуна. Отличительной особенностью ковкого чугуна является присутствие графита в хлопьевидной форме.

Какой чугун называют ковким

Надо понимать, что ковкий чугун, это не чугун, полученный ковкой. Изделия из ковкого чугуна при высокой влажности могут деформироваться даже при комнатной температуре. Данное свойство ковкого чугуна и предопределило его название. Ковкий чугун получают литьем. Интересной и важной особенностью ковкого чугуна является отсутствие внутренних напряжений.

Виды чугунов

Напомним, что все чугуны подразделяются на следующие группы:

• белые;
• серые (ГОСТ 1412);
• ковкие (ГОСТ 1215);
• высокопрочные (ГОСт 7293 ).

В белом чугуне углерод присутствует в форме цементита. Белые чугуны обладают высокой твердостью и стойкостью к износу. По причине высокой твердости белый чугун очень трудно поддается обработке на металлорежущем оборудовании.

В сером чугуне углерод присутствует в пластинчатом виде. Серые чугуны не такие твердые, как белые. Основная сфера их применения в конструкциях, которые не испытывают ударных нагрузок.

В ковком чугуне графит присутствует в хлопьевидной форме. Из ковкого чугуна изготавливают изделия, работающие при высоких ударных и вибрационных нагрузках.

В высокопрочном чугуне графит присутствует в шаровидной форме. Высокопрочный чугун получают модифицированием его магнием, который и обеспечивает формирование углерода в виде шариков. Высокопрочные чугуны по своим свойствам близки к углеродистым сталям. Из высокопрочного чугуна изготовляют поршни, коленчатые валы, различные компоненты систем торможения.

Получение ковкого чугуна

Как уже было сказано выше, ковкий чугун получают термической обработкой белого чугуна с последующим томлением (выдержкой при определенной температуре).

Поскольку белые чугуны обладают плохими литьевыми качествами, при производстве ковких чугунов необходимо принимать меры, направленные на снижение дефектов литья. С этой целью белый чугун перегревается, а при отливке учитывается его усадка, а также изменение размеров заготовок во время томления, которое выполняется при температуре 1350-1450°С.

Процесс томления ковкого чугуна проводится в специальных цехах, где заготовки, выполненные из чугунных сплавов, размещаются в горшках, вмещающих до 300 отливок.

Максимальную прочность ковкий чугун получает, если проходит процесс отжига в горшках, выполненных из белого чугуна, легированного хромом.

Ковкий чугун производится в муфельных электропечах, которые могут в режиме томления гибко регулировать температуру, при этом продукты сгорания топлива не контактируют с горшками, с уложенными заготовками.

Марки ковкого чугуна

Ковкий чугун маркируется КЧ 45 – 6. Первое число – это прочность на растяжение, второе – это удлинение в процентах.

Основные физико-технические параметры ковкого чугунного сплава нормированы в ГОСТ 1215-79.

Конкретная марка КЧ непосредственно зависит от условий, в которых проводилось томление. После этой операции получают три класса чугуна КЧ:

• Ферритный класс содержит феррит и хлопьевидный графит:
  • КЧ 30-6
  • КЧ 33-8
  • КЧ 35-10
  • КЧ 37-12
  • Перлитный класс содержит перлит и хлопьевидный графит:
    • КЧ 45-7
    • КЧ 50-5
    • КЧ 56-4
    • КЧ 60-3
    • КЧ 65-3
    • КЧ 70-2
    • КЧ 80-1,5
    • Ферритно-перлитный класс содержит феррит, перлит и хлопьевидный графит.

Структура ковкого чугуна

Компактные графитовые включения, являющиеся основной особенностью микроструктуры ковкого чугуна, определяют его высокую прочность и пластичность. Ковкий чугун с низким содержанием углерода является единственным видом чугуна, который поддается сварке. Он хорошо прессуется, расчеканивается, легко заполняя зазоры и пустоты.

Состав ковкого чугуна:

• C – 2,4-3,0%
• Si – 0,8-1,4%
• Mn – 0,3-1,0%
• P – до 0,2%
• S – до 0,1%

Пройдя процесс томления, ковкий чугун содержит аустенит и графит.

При медленном охлаждении цементит, входящий в состав перлита, разлагается, и структура приобретает вид из феррита и графита (ферритный ковкий чугун).

При быстром охлаждении получается перлитный ковкий чугун, поскольку вторая стадия разложения отсутствует.

Применение ковкого чугуна

Применение изделий из ковкого чугуна обусловлено его механическими свойствами, которые находятся между сталью и серым чугуном. С одной стороны ковкий чугун обладает высокими показателями текучести, износостойкости, хорошими антикоррозионными свойствами. С другой стороны, ковкие чугуны высокопрочны, что позволяет их использовать в производстве трубопроводной арматуры для газа и воды.

При низких температурах ковкий чугун становится достаточно хрупким и боится ударных нагрузок.

Изделия из ковкого чугуна широко применяются в машиностроении, автомобилестроении, железнодорожном транспорте.

Наибольшее применение нашли ферритные отливки, производство которых дешевле. Из ферритного ковкого чугуна изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Перлитный ковкий чугун используется для изготовления деталей, работающих в узлах под высокими нагрузками. Из перлитных чугунов изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Ковкий чугун используют для получения отливок с тонкой стенкой, размер которой может колебаться в диапазоне от 3 до 40 мм.

Ковкий чугун: маркировка по ГОСТ, свойства и применение

Чугун – это сплав железа с углеродом, получаемый при переработке железной руды в доменных печах. Главная особенность – высокое содержание углерода – более 2.14%. Углерод в составе ковкого чугуна имеет хлопьевидную форму.

Особенности производства

Сплав железа и углерода, принимающего в структуре металла вид графитовых хлопьев, называется ковким чугуном. Его получают путём длительной термообработки заготовок из белого чугуна. Под действием отжига меняется структура металла, цементит в нём превращается в графит. Этот процесс называется графитизация. После термической обработки сплав меняет механические характеристики – уменьшаются прочность, твёрдость, материал становится пластичным.

Технология отжига включает 5 стадий:

1. Медленный нагрев заготовки в течение 20–25 часов до температуры 950–1000 ºС.
2. Первый этап графитизации. Выдержка при температуре 950–1000 ºС на протяжении 15–20 часов.
3. Медленное охлаждение до температуры 740–720 ºС, время операции 6–12 часов.
4. Второй этап графитизации – продолжительная выдержка заготовки при температуре 720 ºС или постепенное снижение температуры с 760 до 720 ºС. Длительность этой операции составляет около 30 часов.
5. Полное охлаждение детали.

Есть четыре способа отжига для придания чугунной отливке требуемых свойств. Различаются они стадией №4 (диапазон температур от 760–720 ºС). Остальные этапы отжига совпадают.

1. Быстрое охлаждение до температуры ниже критической – 720 ºС и выдержка при этой температуре 30 часов.
2. Медленное охлаждение на протяжении 30 часов, в критическом интервале температур от 760–720 ºС.
3. Ступенчатое охлаждение в интервале температур от 760 до 720 ºС.
4. Технология поочерёдного нагрева выше 760 ºС и охлаждения ниже 720 ºС.

Советскими учёными разработан метод, благодаря которому удалось сократить продолжительность отжига до 10–15 часов. Суть его заключается в закалке деталей в масле перед термообработкой.

Разновидности ковкого чугуна

Технология отжига и состав микроструктуры металла определяют какой получится ковкий чугун – перлитного или ферритного класса. Различают промежуточный ферритно-перлитный класс.

Ферритный класс чугуна

По описанной выше технологии получают ковкие ферритные чугуны. Микроструктура такого сплава – это феррит (железо) с округлёнными, изолированными включениями графита. На изломе деталь из ферритного сплава чёрная и бархатистая.

Ферритно-перлитный чугун

Металл с перлито-ферритным строением, в котором графитизировалось меньшее количество углерода и сохранилась перлитная составляющая.

Получение перлитно-ферритного ковкого чугуна выполняется путём повышения содержания в металле легирующих элементов, которые препятствуют графитизации. К ним относятся Мn, Сr, Мо, но чаще всего марганец. И снижение содержания углерода и кремния – элементов, способствующих графитизации перлита.

Чтобы получить перлитно-ферритный ковкий чугун, следует уменьшить время выдержки в стадии отжига №3 и ускорить охлаждение.

Перлитный класс чугуна

Для получения перлитного строения, отливки засыпают порошком из смеси железной руды и металлической окалины. Под воздействием высокой температуры и окисленной железной руды поверхность металла постепенно обезуглероживается. Заготовки из этого сплава выглядят на изломе серебристыми или белыми.

Такой металл имеет неравномерное строение и макроструктуру. В центре слитка в нём больше перлитной составляющей. Ближе к краям количество углерода отжига сокращается и увеличивается количество феррита.

Для получения сплава с высокими механическими характеристиками нужно использовать белый чугун с пониженным содержанием углерода – не более 3%.

Свойства ковкого чугуна

Режим термообработки и содержание легирующих элементов, углерода и кремния определяют механические характеристики отожжённого металла.

Чугуны перлитного класса характеризуются высокими показателями сопротивления на разрыв, твёрдости, износостойкости, антифрикционными свойствами, антикоррозионной стойкостью. Но эти материалы имеют низкие значения относительного удлинения, и как следствие низкую пластичность.

Ковкие чугуны ферритного класса имеют меньшее значения сопротивления на разрыв, пониженную твёрдость и большее относительное удлинение. У них меньше прочность, но выше пластичность.

Рассматриваемый сплав выгодно отличается от сталей и серого чугуна следующими показателями:

• 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, отожжённый металл обладает высокой величиной внутреннего трения, что позволяет быстро гасить вибрации, хорошими антифрикционными свойствами и малой чувствительностью к надрезам.

При легировании элементами: Mn, Ti, Cr, Cu металл приобретает высокую износостойкость. При добавлении в чугунный расплав хрома и никеля к повышенной износостойкости добавляется жаростойкость.

Маркировка ковкого чугуна

Правила маркировки прописаны в Маркировка прописана в ГОСТ 1215-79. Всего 11 марок. Группа обозначается буквами КЧ, к которым добавляют два значения. Первое равняется пределу временное сопротивление разрыву. Второе число обозначает относительное удлинение, выраженное в процентах.

Маркировка КЧ 45-7 обозначает: ковкий чугун с механическими характеристиками: предел прочности 441 кгс/мм², с относительным удлинением – 7 %.

Марка ковкого чугуна ферритного и перлитного класса

Временное сопротивление разрыву, МПа (кгс/мм²), не менее

Виды и особенности изготовления ковких чугунов

Ковкий чугун получается при длительном термическом отжиге заготовок белого чугуна. В результате термообработки цементит распадается на железо и углерод в виде графита компактной хлопьевидной формы.

Материал с такими графитовыми включениями характеризуется высокими прочностными параметрами, пластичностью и стойкостью к ударным нагрузкам.

Виды чугунов

Чугун – это сплав железа с углеродом, где содержание последнего более 2,14%. В состав такого сплава могут входить и другие элементы. Их содержание определяет многие параметры и свойства материала.

В железоуглеродистом сплаве содержится цементит, графит и графит с цементитом. Цементитом называют соединение углерода с железом состава Fe3C. Графит – это одна из аллотропных модификаций углерода со слоистой структурой.

В зависимости от содержания указанных соединений меняется цвет изделия. Когда преобладает цементит, материал приобретает светлый отблеск. Отсюда и получилось название «белый».

Графит обладает темной окраской, которую он придает и отливкам. Именно структура графитовых включений определяет пластические свойства материала.

Исходя из этого сплав разделяют на:

К первому типу материалов относится сплав железа с углеродом в графитовой модификации хлопьевидной, пластинчатой или глобулярной формы. Он обладает высокими литейными свойствами. Благодаря им часто используется для получения деталей сложной формы.

В то же время хрупкость сплава ограничивает его применение в изделиях, подвергающихся растяжению или изгибу. Сплав с графитом глобулярной формы характеризуется высокими прочностными свойствами. Его относят к одному из подвидов серого чугуна.

Формирование графита указанной формы достигается благодаря добавкам магния и церия. Другие же формы получаются вследствие разных скоростей охлаждения.

Ковкий чугун содержит углерод в интервале концентраций от 2,4–2,8%. Кроме того, в сплаве могут содержаться: кремний, марганец, сера и фосфор. Указанные элементы влияют на конечные свойства изделий.

Особенности производства ковкого чугуна

Чтобы получить ковкий чугун, необходимо следовать технологии, основанной на термическом отжиге заготовок при определенной температуре. В результате данного процесса происходит распад цементита и аустенита. Таким образом, получают углерод, кристаллизующийся в графите хлопьевидной формы.

Аустенитом называют железо с гранецентрированным типом решетки. Данная модификация является высокотемпературной. В железоуглеродистых сталях он может формироваться при температурах более 727 градусов, а в чистом железе при 910 градусах.

Окончательный процесс формирования графита происходит при более низких температурах – в диапазоне 720-760 градусов. Именно углерод в такой модификации определяет такие характеристики, как пластичность и прочность ковкого чугуна.

Метод предусматривает термообработку ковких чугунов в два этапа. Вначале материал подвергают воздействию температуры до 1000 градусов. Выдержка отливок в указанных условиях приводит к распаду ледебурита на графит и аустенит.

После отжига при высокой температуре изделие охлаждают до 720-760 градусов. В результате формируется перлит, распадающийся в дальнейшем на феррит и графит.

Плавку материала для изготовления чугуна осуществляют в вагранках, пламенных и электропечах. Иногда этот процесс осуществляют в комбинированных печах. Исходные отливки могут содержать различное количество углерода.

При изготовлении ферритного сплава необходимо использовать заготовки с меньшей концентрацией углерода. Такие изделия обладают высокой температурой плавления, поэтому требуют повышенную температуру перегрева.

Обычно для плавки в данной ситуации используют две печи. В вагранке происходит расплавление, а в электродуговой печи перегрев. Описанная технология плавки называется дуплекс-процессом.

Для производства перлитного сплава используют заготовки с большим содержанием «С». Для плавки такого материала достаточно вагранки.

Особенностью производства форм для отливок является повышенная усадка белого сплава. Из-за этого процесса возникает необходимость установки боковых прибылей у каждого местного утолщения отливки. Это позволяет избежать формирования раковин.

Для того, чтобы увеличить скорость охлаждения более толстых мест отливки используются металлические холодильники.

Название данного материала обусловлено лишь его более высокими пластичными свойствами. На самом деле его нельзя подвергать ковке. Данный тип сплава используется так же, как и другие его виды.

Преимуществом ковкого чугуна, по сравнению с белым, является высокая антикоррозионная стойкость. По этому свойству материал занимает более высокие позиции, чем углеродистые стали. По механическим свойствам он уступает сталям, однако превосходит белый чугун.

Разновидности ковкого чугуна

В зависимости от процесса производства ковкий чугун бывает ферритным и перлитным. В первом случае изготовление осуществляется в нейтральной среде. Такой материал отличается ферритной структурой с остаточным углеродом отжига.

В состав сплава до термообработки входит 2,2-2,99 процента углерода, а также добавки других элементов, содержание которых не превышает одного процента. Уменьшение концентрации «С» сопровождается увеличением прочностных характеристик материала. Однако его литейные свойства снижаются.

Данный материал широко применяется при изготовлении деталей для машин и сельхоз техники, где необходима стойкость к постоянным нагрузкам и напряжениям.

Данный сплав отличается более низкими пластическими свойствами. В связи с этим его используют в задачах, не требующих стойкости к серьезным пластическим и химическим нагрузкам.

Свойства ковких чугунов

Ковкий чугун обладает механическими свойствами, зависящими от содержания кремния углерода в графитовой аллотропной модификации. Для белосердечного материала влияние оказывают также хром и марганец.

Различие структуры изделий определяет и различие свойств. Так, черносердечный сплав характеризуется большей пластичностью, но меньшей твердостью, чем перлитный тип.

Высокие прочностные характеристики данных сплавов обеспечиваются графитом хлопьевидной формы. Несмотря на свое название, данные изделия не поддаются ковке. Они изготавливаются путем отливки деталей в заданные формы.

Главным достоинством ковкого сплава является однородность свойств по сечению материала, а также отсутствие напряжений.

С точки зрения других характеристик они отличаются:

• хорошей текучестью при литье;
• поглощением вибраций;
• высокой износостойкостью;
• хорошей коррозионной стойкостью к влаге и многим агрессивным химическим соединениям;
• высокой стойкостью к ударным нагрузкам.

Маркировка изделий

Марки ковкого чугуна начинаются с букв «КЧ», после которых следуют цифры. Первые числа соответствуют уменьшенному в десять раз пределу прочности материала. Вторая пара – это показатель относительного удлинения.

Согласно принятым стандартам ковкие чугуны имеют одиннадцать типов маркировки. 4 соответствуют ферритному, а 7 марок – перлитному.

Сферы использования материала

Применение ковкого чугуна нашлось в машиностроении, автомобилестроении, в производстве ж/д вагонов, изготовлении сельхоз оборудования.

Лучшими свойствами для отмеченных сфер применения является перлитный тип. Однако, несмотря на более высокие характеристики, чаше используется черносердечный сплав. Это обусловлено меньшими затратами на его производство.

Только для изготовления деталей, подвергающихся высоким нагрузкам, используют белосердечный материал. К таким изделиям относятся рессоры, детали двигателей и т.д.

Ковкие чугуны нашли широкое применение в различных областях человеческой жизнедеятельности благодаря своим высоким прочностным свойствам и хорошей коррозионной стойкости.

Они используются для изготовления различных деталей, которые должны выдерживать значительные постоянные и периодические нагрузки.

В зависимости от задач, может использоваться либо ферритный, либо перлитный тип материала. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, описанными в данной статье.

Ковкий чугун

Сплав железа и углерода называют чугуном. Мы же посвятим статью ковкому чугуну. Последний, содержится в структуре сплава или в форме графита, или цементита. Кроме, названых компонентов в чугун входят примеси на основе следующих химических веществ — кремния, марганца и пр. .

В состав чугунных сплавов могут добавлять легирующие компоненты, которые оказывают существенное влияние на их технические параметры.

Чугун используют при производстве изделий методом литья, например, корпусов станочного оборудования, которые работают при небольших статических и динамических, в том числе и разнонаправленных нагрузках.

В отличие от стали, чугун обладает хорошими литейными параметрами и низкой ценой. Ко всему прочему это сырье хорошо обрабатывается на металлорежущем оборудовании, чем большинство стальных сплавов. Но, с другой стороны, чугунные сплавы, вне зависимости от типа свариваются с определенными сложностями. Ко всему прочему, чугуны обладают невысокими параметрами прочности, твердости, хрупкости.

Виды чугунов

Марка чугунного сплава определяется количеством углерода и других веществ в его составе.

Такой подход позволяет выделить следующие виды этого материала:

• белые;
• серые (ГОСТ 1412);
• ковкие (ГОСТ 1215);
• высокопрочные (ГОСт 7293 ).

Белый чугун

В составе этого сплава углерод собран в форме цементита. Эта марка материала обладает стойкостью к износу, хорошими параметрами твердости. Вместе с этим, он довольно плохо подвергается обработке на металлорежущем оборудовании.

Структура белого чугуна

Белый чугун делится на следующие группы:

• доэвтектический с концентрацией углерода от 2,14% до 4,3%;
• эвтектический — 4,3%;
• заэвтектический от 4,3% до 6,67%.

В других марках чугуна углерод имеет форму графита.

Серый чугун

Углерод в составе этой марки чугуна имеет форму пластин. В составе серого чугуна участвуют и такие компоненты, как:

• кремний до 0,8%;
• марганец до 0,3% и пр.

Микроструктура серого чугуна

Для производства отливок из этого материала применяют формы, выполненные из литьевой земли или стали. Такие формы называют кокилем. Ключевая сфера использования серого чугуна – машиностроение. Из него выполняют конструкции, работающие тогда, когда отсутствуют ударные воздействия, к примеру, колесные клиноременных передач, подшипниковые чашки и др. Чугунный сплав этого типа маркируют следующим образом СЧ 32 – 52. Первая цифра показывает предел прочности на растяжение, вторая предел на изгибе.

Ковкий чугун

В составе этого материала углерод обладает хлопьевидной формой. В химсостав этого материала входит до 1,4% кремния, 1% марганца и пр. Ковкий чугун производят из белого.

Для этого выполняют его термическую обработку, то есть прогревают и выдерживают в этом состоянии в течение заданного технологией времени. Эту операция называется томлением. Ковкий чугун маркируют так КЧ 45 – 6. Первое число обозначает прочность на растяжение, вторая удлинение в процентах.

Высокопрочный чугун

В составе этого чугуна, углерод обладает шаровидной формой. Для производства чугуна этого вила используют модифицирование, то есть в расплав вводят магний. Он обеспечивает формирование углерода в виде включений шаровидной формы. Это решение позволило приблизить чугун этого сорта, по ряду свойств к углеродистым сталям. Литейные же параметры у него больше чем у других марок чугунных сплавов, за исключением серого.

Чугуны этого класса используют в производстве таких деталей, как – поршни, коленвалы, компоненты систем торможения.

Высокопрочный чугун маркируют так — ВЧ – 45-5. Первое число обозначает прочность на растяжение, вторая удлинение в процентах.

Особенности производства ковкого чугуна

Изготовление чугуна КЧ обладает рядом тонкостей, которые обусловлены литьевыми характеристиками и другими свойствами.

Производство ковкого чугуна

Чугун марки БЧ, являющийся основной производства ковкого, обладает не очень хорошими литьевыми параметрами. В, частности, он обладает пониженной жидкотекучестью, большим размером усадки во время остывания, и он склонен к формированию различных литейных дефектов. Эти является причиной того, что при производстве необходимо перегревать металл и принимать меры по борьбе с дефектами литья. Изготовление ковкого чугуна может выполняться с обязательным учетом усадки и изменения размеров заготовок во время томления. Максимальную усадку, имеют тонкие заготовки, минимальную, толстые. Операция томления выполняется при 1350 – 1450 градусов Цельсия.

Отжиг (томление) это базовый этап при производстве чугуна КЧ. Его производят в отдельных цехах, называемых томительными. Заготовки размещают в горшках, выполненных из стали или чугунных сплавов разных марок, для томления. В горшок может быть уложено до 300 отливок исходя из того, что до 1 500 кг должно приходиться на один кубометр.

Ковкий чугун получает наибольшую прочность в горшках, произведенных из белого чугуна с добавками хрома и минимальным количеством фосфора. Расход горшков измеряют по весу, он может составлять от 4 до 15 % веса заготовок. Именно поэтому увеличение их стойкости играет большую роль в формировании стоимости готового ковкого чугуна.

Во избежание коробления готовых отливок укладка заготовок в горшки должна выполняться с особой тщательностью. Их укладывают максимально плотно, для повышения эффекта заготовки пересыпают песком или рудой. Эти материалы предохраняют заготовки от деформации и лишнего окисления.

Для производства ковкого чугуна применяют электрические печи. Это вызвано тем, что в процессе томления должна быть возможность регулировки температуры, резкий подъем на время нагрева и быстрое понижения на стадии его графитизации. Кроме того, не будет лишним, и возможность регулировки воздушной смеси в печи.

Большая часть печей, которая используется для получения ковкого чугуна – муфельные. То есть продукты сгорания топлива не вступают в контакт с горшками, в которых уложены заготовки.

Отливки, полученные из ковкого чугуна несколько раз проходят через операцию очистки, а после отжига удалению питателей и правке. Первая чистка проводится для удаления остатков формовочных смесей. Для чистки применяют пескоструйное оборудование или специальные галтовочные барабаны. Удаление остатков питателей происходят на наждаках.

Дефекты ковкого чугуна

Самыми часто встречающимися дефектами ковкого чугуна можно назвать следующие:

• усадочные раковины;
• недолив;
• трещины и пр.

Часть дефектов не может быть исправлена дальнейшей термической обработкой. Следует отметить, то, что изготовление ковкого чугуна требует строго соблюдения всех требований ГОСТ, технологических правил и регламентов. Только в этом случае можно говорить о получении качественного ковкого чугуна, которым допустимо заменять другие, дорогие материала – стали, цветные металлы.

Разновидности ковкого чугуна

Марка чугунного сплава КЧ напрямую связана с условиями, в которых проводят отжиг. После этой операции получают три класса чугуна КЧ:

Первый содержит в своем химсоставе феррит и углерод хлопьевидного строения. Второй включает перлит и графит хлопьевидного строения. Третий имеет в своем составе феррит, перлит и углерод хлопьевидного строения.

Рановидности ковкого чугуна

Ковкий перлитный чугун возникает в итоге быстрого охлаждения заготовки, когда она находится в зоне распада. В этом случае в строении чугуна кроме феррита будет находиться перлит. Он будет сохраняться и при дальнейшем остывании заготовки до температуры ниже чем 727 градусов.

То есть, можно сказать, что строение чугуна жестко связано с температурными режимами отжига и наличием легирующих компонентов.

Основные характеристики металла

Ключевые параметры чугуна КЧ определены количеством углерода, который имеет форму графита и наличием кремния. Перлитный ковкий чугунный сплав содержит в себе еще два составных элемента – хром и марганец.

Характеристики ковкого чугуна

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.

Микроструктура ковкого чугуна

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.

Нельзя забывать и том, что при малых температурах, чугун становиться очень хрупким и очень боится ударных воздействий.

Свойства ковких чугунов

Базовое свойство чугунного сплава КЧ состоит в том, в нее входят включения углерода в разной форме, которая определяет его прочность и пластичность. Чугун КЧ с малым количеством углерода (обезуглероженный), по сути, это единственный материал из конструкционных чугунных сплавов, который хорошо сваривается и его применяют для получения сваренных металлоконструкций. Для производства сварки применяют или защиту газа, или стыковую технологию. Чугун это марки поддается запрессовке, чеканке и достаточно просто заполняет пустоты и зазоры. Детали, полученные из ковкого ферритного чугунного сплава, подвергаются холодной обработке, а из перлитного правке в разогретом виде.

Чугун, используемый в производстве, изготавливают из белого чугунного сплава путем его отжига. Строение, получаемое после выполнения этой операции, может иметь ферритную или перлитную форму.

Одним из преимуществ ковкого чугунного сплава является то, что он обладает однородными свойствами по сечению, кроме того, он хорошо обрабатывается на станках токарно-фрезерной группы.

Основные физико-технические параметры ковкого чугунного сплава нормированы в ГОСТ 1215-79. Маркировка этого материала основана допустимых значений на растяжение и удлинение. Твердость материала определена от структуры, а прочностные параметры и пластичность определяет и наличие графита.

Надо понимать, что на свойства материала оказывает не только форма, но и количество графита, содержащегося в сплаве. Максимальных прочностных характеристик ковкий чугун достигает при наличии мелкодисперсного перлита и небольшом количестве графита. Предельная пластичность и вязкость чугуна этого класса достигается при наличии феррита и таком же количестве графита.

Сфера применения

Ковкий чугун нашел свое применение в машиностроении для производства станочного оборудования, отдельных деталей автомобилей, конструкций и механизмов, эксплуатируемых на железнодорожном транспорте и пр.

Чаще всего применяют ферритные отливки, которые стоят несколько дешевле, чем все остальные. Перлитные отливки используют для изготовления деталей, которые применяют для изделий и узлов, работающих под повышенными нагрузками.

Ковкий чугун используют для получения отливок с тонкой стенкой, ее размер может составлять от 3 до 40 мм.

Получение ковкого чугуна

Получение ковкого чугуна

Основным процессом получения черносердечного (ферритного и перлитного) и белосердечного ковкого чугуна является отжиг, при котором происходят графитизация и обезуглероживание отливок.

а) Получение черносердечного ферритного ковкого чугуна. Целью процесса отжига в этом случае является графитизация. Отжиг черносердечного ковкого чугуна состоит из пяти этапов: 1) нагрева, 2) выдержки при температуре выше критической (первая стадия графитизации), 3) промежуточного охлаждения, 4) выдержки при температуре ниже критической (вторая стадия графитизации) и 5) окончательного охлаждения.

Первая стадия графитизации проводится обычно при температурах 900 — 1050° в течение времени, необходимого для полного распада структурно свободных карбидов и установления стабильного равновесия.

Отливка охлаждается с определенной скоростью, величина которой практически зависит от конструкции печи, так как процесс графитизации протекает здесь достаточно быстро. После окончания промежуточной стадии начинается вторая стадия графитизации.

Первый путь получения ковкого чугуны заключается в сравнительно быстром прохождении критического интервала с образованием перлита и с последующим распадом его карбидов во время второй выдержки (рис. 315, а).

Второй путь получения ковкого чугуна заключается в прохождении критического интервала с такой скоростью, которая не нарушает стабильного равновесия (рис. 315, б).

Рис. 315. Принципиальные схемы отжига черносердечного ковкового чугуна во второй стадии графитизации.

Третий путь получения ковкого чугуна проведения второй стадии графитизации (рис. 315, в) основан на существовании в чугуне критического температурного интервала вследствие наличия других примесей (кроме углерода). В этом интервале (760 — 720°) находятся в равновесии (в разном соотношении — в зависимости от температуры) и свободный углерод.

Скорость графитизации, а следовательно, и время, необходимое для ее завершения, зависят от ряда факторов, определяющих: 1) устойчивость карбидоф, 2) число центров кристаллизации, 3) скорость диффузии. Такими факторами являются: температура процесса, состав и первичная структура чугуна, происхождение исходных материалов, тепловая обработка чугуна и т. д.

Чем меньше скорости нагрева и охлаждения, тем меньше может быть и время выдержки. При очень медленном нагреве и охлаждения необходимость в выдержке при первой стадии графитизации может вовсе отпасть, тем более, что при этом размельчаются выделения углерода отжига и ускоряется процесс. Что касается второй стадии графитизации, то она может происходить только внутри и под критическим интервалом. При этом и здесь скорость процесса уменьшается с понижением температуры . Отметим только, что для сокращения времени отжига целесообразно повышение содержания кремния в чугуне, хотя бы за счет соответствующего понижения содержания углерода.

Наиболее эффективным мероприятием по сокращению времени отжига является предварительная закалка отливок. При этом для повышения механических свойств ковкого чугуна необходимо вести отжиг при высокой температуре. Однако, широкому распространению этого способа препятствует образование напряжений и трещин в отливках из хрупкого белого чугуна — поэтому он применим только для отливок простой конфигурации.

б) Получение черносердечного перлитного и перлито-ферритного ковкого чугуна.

Перлитный ковкий чугун представляет сравнительно новый конструкционный материал. Он применяется в тех случаях, когда нужны высокая прочность и износостойкость, хотя бы за счет понижения пластичности в некоторых случаях, например для звеньев цепей, понижение пластичности является даже преимуществом, так как способствует сохранению величины шага. Получение такого чугуна возможно как непосредственно во время отжига(за счет изменения состава чугуна или режима отжига), так и путем добавочной термическом обработки готового ферритного ковкого чугуна.Изменение состава чугуна с целью получения перлитной или перлитно-ферритной структуры основной металлической массы. Производится обычно за счет повышения содержания элементов препятствующих графитизации (Мп, Сг, Мо), чаще всего марганца (сверх баланса с серой). Состав чугуна может быть изменен также за счет уменьшения содержания элементов, способствующих графитизации перлита (С, Si).

Для получения черносердечного перлитного ковкого чугуна непосредственно при отжиге отливок необходимо более быстрое происхождение критического интервала.

в) Получение белосердечного ковкого чугуна. При производстве белосердечного ковкого чугуна параллельно идут оба процесса: графитизация и обезуглероживание. Однако, вследствие неблагоприятного для графитизации состава чугуна и наличия окислительной среды (руды) процесс обезуглероживания в данном случае имеет преобладающее значение . В настоящее время установлено, что процесс обезуглероживания идет через газовую фазу, являющуюся передатчиком кислорода от руды к углероду отливки: С + СО₂ = 2СО СО + FeO = СО₂ + Fe или СО + Fe₃О₄ = СО₂ + 3FеО.

Поэтому процесс получения ковкого чугуна идет с одинаковой интенсивностью как случае, когда отливки имеют непосредственное соприкосновение с рудой, так и в случае, когда отливки полностью отделены .При этом процесс окисления углерода происходит на поверхности отливки или на небольшой глубине проникновения газов в отливку. Окисление же углерода внутренних слоев отливки протекает за счет диффузии углерода от центра к периферии.

Таким образом, следует принять, что окисление углерода при получении ковкого чугуна происходит в небольшой наружной зоне отливок за счет реакций с окислительными газами. Естественно, что при этом принципиально могут окисляться все виды углерода: графит, углерод отжига, углерод карбидов и углерод раствора. Однако, практически процесс вдет почти исключительно путем окисления углерода раствора. Действительно, в небольшой наружной зоне проникновения кислорода и СО₂ в отливку прежде всего окисляются имеющиеся там углерод отжига и карбиды, после чего начинает окисляться углерод твердого раствора. Это вызывает понижение концентрации углерода в растворе, диффузию углерода из центральной зоны отливки и соответствующее растворение структурно свободного углерода (карбидов или углерода отжига). Таким образом, весь процесс обезуглероживания внутренних слоев отливки идет через твердый раствор.

Эта выдержка тем больше, чем выше содержание углероде в чугуне и в толще отливки. Вторая же выдержка в критическом интервале, характерная для получения черносердечного ковкого чугуна, здесь не дается, так как низкое остаточное содержание углерода в чугуне делает распад эвтектоидных карбидов практически невозможным. Впрочем, иногда применяется также процесс, сочетающий обезуглероживание и графитизацию. В этом случае отливки подвергают отжигу в окислительной среде, выжигают некоторое количество углерода и затем ведут процесс со второй стадией графитизации для получения частичного распада перлита.