Ковкий чугун: свойства, маркировка и область применения

Виды чугунов

Углерод присутствует в этом сплаве в виде:

• цементит;
• графит;
• графит + цементит.

Отливки, содержащие углерод в виде цементита, имеют характерный прозрачный блеск и называются белыми.

Темный графит в сочетании с металлическим сплавом придает отливкам серый цвет. Конфигурация включений графита влияет на свойства поковок. По этим свойствам чугун делится на:

• серый;
• податливый;
• большая сила;
• специального назначения.

На фото показаны различные виды включений графита. Они могут быть пластинчатыми, шаровидными или дугообразными.

Ковкий чугун характеризуется включениями графита в виде чешуек.

Особенности производства ковкого чугуна

Углерод в чугуне этого типа присутствует в пределах от 2,4 до 2,8%. Он также включает Si, Mn, S, P, количество которых зависит от требуемых свойств материала.

Ковкий чугун получают из отливок самых разных изделий белого цвета. В них углерод полностью связан с железом и представлен карбидом железа (цементитом Fe3C). При отжиге деталей при температуре 950-970 ° С достигается выделение графита из карбида железа и аустенита (А). В результате он кристаллизуется в хлопья.

Окончательное образование чешуек графита в чугуне происходит в интервале температур 760-720 ° C, как показано на диаграмме Fe — Fe3C.

О нем: А — аустенит, который представляет собой твердое внедрение атомов углерода в структуру железного элемента; это графит; C — цементит; П — перлит, представляющий собой соединение феррита и цементита в эвтектоидной области при разложении аустенита.

Процесс термического отжига проходит в два этапа:

1. Сначала куски нагревают до 950-1000 ° C и держат нагретыми до конца разложения ледебурита (цементит + аустенит) на графит и аустенит.
2. Затем куски постепенно охлаждаются до диапазона температур 760-720 ° C, где аустенит обеспечивает дополнительный (вторичный) цементит, входящий в состав перлита. После дальнейшего охлаждения перлит разлагается на феррит и графит.

Разновидности ковкого чугуна

Структурный состав чугунных отливок зависит от условий технологии отжига. Такое случается:

• ферритный;
• перлит;
• феррит-перлит.

Ферритные изделия содержат феррит и пластинчатый графит. Тип перлита состоит из перлита и пластинчатого графита. Феррит-перлит содержит хлопья феррита, перлита и графита.

Структура каждого типа показана на схемах:

Чугун на основе перлита можно получить, быстрее охладив отливку в зоне гниения. Значит, вместе с ферритом в структуре будет перлит. Он будет сохраняться при дальнейшем, довольно медленном, остывании сплава ниже 727.

Важно! Структура ковкого чугуна зависит от температуры обработки и легирующих элементов, входящих в состав.

На практике в основном используются первые два типа заготовок (фото и схемы представлены ниже).

Отливки ферритного типа (фото и схема)
Отливки ферритного типа (фото и схема)
Тип струи перлита (фото и схема)

Особенности и свойства металла

Литейные свойства материала и характеристики технологии формы. Чугун с шаровидным графитом, полученный из отливок из низкоуглеродистого белого сплава, имеет относительно низкие литейные характеристики:

• слабая текучесть;
• большая усадка в жидкой форме, после затвердевания и в твердом состоянии;
• большая приверженность образованию горячих и холодных дефектов.

Все это создает значительные трудности при производстве деталей из чугуна, требует сильного нагрева металла и совершенствования мер борьбы с дефектами литья. Прием РП следует проводить с учетом усадки в литейной форме и изменения размеров при термическом воздействии (томление). Заготовки из тонкостенных ферритных ковких сплавов имеют самую высокую усадку, а толстостенные детали из перлитных сплавов имеют самую низкую усадку.

Производство этих материалов обычно проходит при температуре от 1350 до 1450 градусов. Для обеспечения таких условий требуются специальные меры по повышению температуры сплава, которые определяют правильный выбор агрегата.

Маркировка чугуна

Изделия из ковкого чугуна маркируются знаком КСН и последующими цифрами. Первая пара чисел — это средний предел прочности на разрыв (предел прочности), уменьшенный на порядок, а второй — процент удлинения. Например, изделие марки КЧ 30-6 имеет предел прочности на разрыв σв = 294 Н / мм2 и относительное удлинение δ = 6%.

• Согласно ГОСТ 1215-79 выделяют 11 видов высокопрочного чугуна.
• В таблице приведены механические характеристики различных марок продукта.
• 

Области применения

Ковкий чугун предназначен для использования:

• в сфере металлообработки для изготовления металлоконструкций;
• для изготовления автомобильных кузовов и комплектующих;
• в производстве железнодорожных вагонов;
• в производстве сельхозтехники.

Несмотря на то, что перлитный чугун по характеристикам лучше, в основном используют ферритовые отливки, так как их производство дешевле.

Отливки из перлита используются при изготовлении деталей, подвергающихся повышенным нагрузкам. Например, они используются для производства автомобильных рессор, компонентов для дизельных двигателей и других двигателей и т.д.

Обладая большим количеством технологических преимуществ, высокопрочный чугун в основном используется для производства отливок с относительно тонкой стенкой в ​​диапазоне от 3 мм до 40 мм.

Виды сплавов: белый и серый

Схема микроструктуры чугуна с шаровидным графитом.
Структура белого чугуна формируется за счет быстрого охлаждения при застывании. При такой технологии углерод, растворенный при высоких температурах, не успевает выделиться на отдельный структурный компонент и остается в связанной форме (цементит или карбид железа Fe3C). Его наличие определяет свойства твердости, износостойкости и хрупкости.

Поскольку скорость охлаждения играет решающую роль в формировании структуры, важна толщина отливок. Если сечение слишком велико (более 50-60 мм), трудно отрегулировать требуемую скорость охлаждения и добиться необходимой структуры без графита по всей толщине.

Белые сплавы часто называют конверсионными сплавами, поскольку они не используются по отдельности, а служат промежуточным сплавом, который отжигают в ковком чугуне (CH) или отливают в стали.

Технология производства серого чугуна предполагает медленное охлаждение при затвердевании плюс дополнительную модификацию кремнием в количестве 1-3% (кремний улучшает графитизацию), что позволяет растворенному графиту выделяться в виде отдельных включений.

Структура чугуна с последующими включениями графита формирует более низкую твердость материала (по сравнению с цементитом) и позволяет обрабатывать его резанием. Форма и дисперсность графита, структура металлической основы определяют свойства и типы материала сплава чугуна: серый (СЧ), высокопрочный (HF).

Ковкий чугун

Ковкий чугун — это сплав железа и углерода, который принимает форму чешуек графита в структуре металла. Ковкий чугун получают из заготовок белого чугуна длительной термообработкой. Отжиг изменяет структуру металла, превращая цементит в графит (процесс граффити). Термическая обработка изменяет механические свойства сплава: снижаются прочность и твердость, металл становится пластичным.

Отжиг состоит из 5 этапов:

• Равномерный нагрев заготовки в течение 25 часов при температуре 950 — 1000 С.
• Выдержка при температуре 950 — 1000 С в течение 15 — 20 часов — первая стадия графитации.
• Постепенное охлаждение до температуры 740-720 С, продолжительность 6-12 часов.
• Длительная выдержка заготовки при температуре 720 С или постепенное снижение температуры от 760 до 720 С. Продолжительность — около 30 часов — вторая фаза графитации.
• Полное остывание изделия.

Кроме того, по требуемым свойствам отливки можно выделить методы отжига 4. Отличаются они четвертой стадией (в диапазоне температур от 760 до 720 C). Остальные шаги остаются прежними. Ниже приведены различные варианты 4 шагов для получения определенных свойств:

Вариант 1. Быстрое охлаждение до температуры ниже критических 720 С и выдержка при этой температуре 30 часов.

Вариант 2. Постепенное охлаждение в течение 30 часов, в критическом диапазоне температур 760 — 720 С.

Вариант 3. Постепенное охлаждение в диапазоне температур от 760 до 720 С.

Вариант 4. Технология попеременного нагрева выше 760 С и охлаждения ниже 720 С.

Рекомендуемый химический состав чугуна с шаровидным графитом характеризуется пониженным содержанием графитирующих элементов C = 2,4-2,9%; Si = 1,0-1,6%; C + Si = 3,6-4,2%, что связано с необходимостью получения отливок из ковкого чугуна в литейном состоянии со 100% оболочкой на всем участке отливки по той простой причине, что при наличии пластинчатого графита в отливке Структура чугуна, последующий отжиг в процессе приведет к образованию пластинчатого графита (т.е серого чугуна), а не уплотнения, присущего ковкому чугуну.

Ковкое железо бывает двух видов: черноволосое и седое. Ковкий чугун с черной сердцевиной получают путем графитизирующего отжига (эта технология используется в Украине). Ковкий чугун с белой сердцевиной получают путем декарбонного отжига в окислительной среде. В этом случае отливки помещают в емкости вместе с железной рудой при температуре 1000-1050 ° С на 60-70 часов. Эта технология применяется во Франции, Германии, Италии и других странах. Основные преимущества такого чугуна — высокая вязкость и свариваемость без предварительной и последующей термообработки.

История

Этот материал известен с 4 века до н.э. Его китайские корни уходят в 6 век. ПЕРЕД ХРИСТОМ Н.С. В Европе первые упоминания о промышленном производстве сплава относятся к XIV веку, а в России — к XVI веку. Но технология производства ковкого чугуна была запатентована в России еще в 19 веке. После его разработал А.Д. Анносов.

Поскольку серые чугуны ограничены в использовании из-за их низких механических свойств, а стали дороги и имеют низкую твердость и долговечность, возник вопрос о создании надежного, долговечного карбида с большей прочностью и некоторой пластичностью.

Ковка чугуна невозможна, однако из-за его пластических характеристик он поддается некоторым видам обработки давлением (например, литью).

Процесс получения ковких чугунов.

Получается отжигом доэвтектического белого чугуна.

Хорошие свойства отливок гарантируются, если процесс графитации не происходит в кристаллизаторе во время кристаллизации и охлаждения отливок. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь низкое содержание углерода и кремния.

Ковкие чугуны содержат: углерод — 2,4… 3,0%, кремний — 0,8… 1,4%, марганец — 0,3… 1,0%, фосфор — до 0,2%, серу — до 0,1 %.

Окончательная структура и свойства отливок формируются в процессе отжига.

Отливки выдерживают в печи при температуре 950… 1000 С в течение 15… 20 часов. Происходит разложение цементита: .

Открытая структура состоит из аустенита и графита (отожженного до углерода). При медленном охлаждении в интервале 760… 720 oС цементит, входящий в состав перлита, разлагается, и структура после отжига состоит из феррита и отжигаемого углерода (получается ферритный ковкий чугун).

При относительно быстром охлаждении (режим b, рис. 11.3) вторая стадия полностью исключается и получается ковкий перлитный чугун.

Структура чугуна, отожженного по режиму c, состоит из перлита, феррита и отожженного графита (получается ферритно-перлитный ковкий чугун)

Отжиг — длительная 70… 80 часовая и дорогостоящая операция. Недавно в связи с улучшениями продолжительность уменьшена до 40 часов.

Ковкий чугун бывает 7 видов: три на основе феррита (КЧ 30-6) и четыре на основе перлита (КЧ 65-3) (ГОСТ 1215).

По механическим и технологическим свойствам чугун с шаровидным графитом занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком высокопрочного чугуна с шаровидным графитом является ограничение толщины стенки для литья и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна используются для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Из ферритного чугуна изготавливают редукторы, ступицы, крюки, кронштейны, зажимы, соединения, фланцы.

Из перлитного чугуна, отличающегося высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготовлены вилки карданного вала, звенья и ролики транспортных цепей, тормозные колодки.

Они обозначаются индексом КЧ (ковкий чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предельного сопротивления, умноженное на, а второе — относительное удлинение — КЧ 30 — 6.

18. Влияние формы и размера включений графита на свойства чугуна.

Включения графита можно рассматривать как соответствующие пустоты в структуре чугуна. Вблизи этих дефектов при нагружении концентрируются напряжения, величина которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что включения пластинчатого графита максимально разупрочняют металл. Форма чешуек более предпочтительна, а сферическая форма графита оптимальна. Точно так же пластичность зависит от формы. Относительное удлинение () для серого чугуна составляет 0,5%, для ковкого — до 10%, для высокопрочного — до 15%.

Наличие графита значительно снижает сопротивление при жестких способах нагружения: ударе; расставаться. Прочность на сжатие немного снижается.

Положительные стороны наличия графита.

• графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется хрупкая стружка;

• чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, чем сталь, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;

• за счет микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит колебания и имеет более высокую циклическую вязкость;

• чугунные детали нечувствительны к внешним концентраторам напряжений (канавки, отверстия, проходы секций);

• чугун намного дешевле стали;

• Производство чугунных изделий методом литья дешевле, чем производство изделий из стальных заготовок резанием, а также литьем и механической обработкой под давлением с последующей обработкой.

19. Превращения в горячих сталях.

ТО — процесс термического воздействия на сталь с целью искусственного изменения ее структуры и Sv- в определенном направлении. В основе ТО лежат фазовые превращения, происходящие при определенных температурах, и связанные с ними структурные изменения. Температура, при которой происходят превращения, называется критической температурой. PSK (727) — нижняя критическая температура, GS-Ac3 — верхняя критическая температура, ES-Аcm — верхняя критическая температура. В углеродистых сталях в зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения возможны следующие превращения: 1) Превращение цементитовой смеси в аустенит при нагревании выше Ас1. P (F + DO) → А. Превращение — это диффузионный процесс Ф + П (Ф + Ц3) → А + Ф — заэвтектоидные стали. П (Ф + Ц3) + Ц2 → А + Ц2- заэвтектоидные стали. При нагреве выше верхней критической температуры сталь приобретает однородную аустенитную структуру. 2) Превращение переохлажденного аустенита. При медленном охлаждении ниже Ac1 аустенит распадается путем диффузии на Ф + Ц2. (Другой источник: любой тип термообработки состоит из комбинации четырех фундаментальных превращений, которые основаны на стремлении системы к минимуму свободной энергии 1. Превращение перлита в аустенит происходит при нагревании выше критической температуры A1, аустенит имеет наименьшее количество свободной энергии.

2. Превращение аустенита в перлит происходит при охлаждении ниже A1, перлит имеет минимальную свободную энергию:

3. Превращение аустенита в мартенсит происходит при быстром охлаждении ниже температуры неустойчивого равновесия

4. Превращение мартенсита в перлит. — происходит при любой температуре, потому что свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

)

20. Превращение перлита.

Превращение перлит — эвтектоидное превращение (разложение) аустенита, которое происходит при температуре ниже 727 ° C (по другим данным, 723 ° C) и состоит из одновременного зарождения и роста двух новых фаз внутри аустенита (фаза ɣ): феррита (ɑ — фаза) и цементита (Fe3C) пластинчатой ​​формы. Схематично процесс описывается формулой:

→ ɑ + Fe3C

Превращение перлита происходит в сталях с содержанием углерода более 0,025% (по весу), а также в белых и серых чугунах (за исключением чугунов на основе ферритного металла). Структура, полученная в результате превращения, называется перлитом и состоит из чередующихся тонких листов (кристаллов) феррита и цементита. Состав всех трех фаз при медленном охлаждении строго определен: в нелегированной стали или чугуне аустенит содержит 0,8% C, феррит — 0,025% C и цементит — 6,67% C (по массе). В результате пластины феррита в 7,3 раза толще пластин цементита.

Когда температура опускается ниже 727 ° C, скорость превращения увеличивается, достигает максимума при ~ 550 ° C, а затем снижается, падая почти до нуля при ~ 200 ° C. Чем ниже температура превращения, тем тоньше пластины и выше прочностные свойства. Абсолютная толщина перлитовых пластин (расстояние между пластинами, период структуры) обычно варьируется от нескольких микрон (и поэтому их можно различить в обычном оптическом микроскопе) до десятых долей микрона (пластины обнаруживаются только при самом высоком разрешении.) и до сотых долей микрона (уже нужен электронный микроскоп). Соответствующие дисперсные разновидности перлита также называют сорбитом и трооститом.

Скорость охлаждения влияет на структуру и свойства смеси феррит + цементит. В итоге можно качественно получить то же самое, но по-другому называться:

Перлит получают путем медленного охлаждения, обычно вместе с массивной печью с термической инерцией, то есть путем отжига. Примерные свойства: твердость — 200 НВ, предел прочности — 600 МПа, предел текучести — 300 МПа.

Сорбитол — получают охлаждением на воздухе (нормализация). Твердость — 300 НВ, предел прочности — 1000 МПа, предел текучести — 500 МПа.

Троостит — получается при более высокой скорости охлаждения, обычно в минеральном масле. Твердость — 400НБ, предел прочности — 1400МПа, предел текучести — 700МПа.

21. Промежуточный (бейнит)

При температурах ниже 550 oС самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.

Механизм превращения заключается в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода, и области аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по механизму сдвига за счет образования и роста ферритовых сердечников. Полученные кристаллы имеют игольчатую форму.

Эта структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является увеличение содержания углерода в феррите (0,1… 0,2 %).

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависит от температуры превращения.

При температуре мм — верхний бейнит. Конструкция отличается недостаточной прочностью, малым удлинением () и ударной вязкостью ().

При температуре 300oС — — нижний бейнит. Конструкция отличается высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

22. Мартенситное превращение.

Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор, в который встраивается углерод .

При образовании мартенсита кубическая решетка сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рис. 13.1, а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности: c / a> 1. Степень тетрагональности прямо пропорциональна содержанию углерода в стали

Механизм мартенситного превращения имеет ряд особенностей.

1. Характер, лишенный расплывчатости.

Трансформация осуществляется режущим механизмом. В начале превращения происходит непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная связь). Когда гранецентрированная кубическая решетка превращается в объемно-центрированную кубическую решетку, атомы смещаются на расстояния короче межатомного, т.е самодиффузия атомов железа не требуется.

2. Ориентация кристаллов мартенсита.

Кристаллы имеют форму пластинок, сужающихся к концу; под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая структура. Образуясь мгновенно, бляшки разрастаются до предела аустенитного зерна или до дефекта. Последующие пластины располагаются относительно первой под углами 60 o или 120 o, их размеры ограничены площадями между первыми пластинами (рис. 13.2).

Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию. При последовательном росте возникают большие напряжения из-за разницы объемов аустенита и мартенсита. При достижении определенного значения кристаллов мартенсита эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В результате нарушается когерентность и происходит отделение решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов прекращается.

3. Очень высокая скорость роста кристаллов, до 1000 м / с.

4. Мартенситное превращение происходит только при непрерывном охлаждении. Для каждой стали он начинается и заканчивается при определенной температуре, независимо от скорости охлаждения. Температура начала мартенситного превращения называется мартенситной точкой MH, а температура окончания превращения называется MC. Температуры МН и МК зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения. Для сталей с содержанием углерода более 0,6% МК переходит в область отрицательных температур (рисунок 13.3)

Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям, а деформации аустенита могут вызывать превращения даже при температурах выше MH.

В сталях с MC ниже 20 ° C присутствует остаточный аустенит, его количество тем больше, чем ниже MC и MC (при содержании углерода 0,6… 1,0% количество остаточного аустенита составляет 10%, при содержание углерода 1,5% — до 50%. В микроструктуре наблюдается в виде световых полей между иглами мартенсита.

5. Преобразование необратимо. Из мартенсита получить аустенит невозможно.

Свойства мартенсита определяются особенностями его образования. Он отличается высокой твердостью и низкой пластичностью, что приводит к хрупкости.

Твердость до 65 HRC. Высокая твердость вызвана влиянием атомов углерода, внедренных в решетку фазы, что вызывает ее искажение и возникновение напряжений. С увеличением содержания углерода в стали увеличивается склонность к хрупкому разрушению.

23. Практические способы закаливания.

В зависимости от формы изделия, типа стали и желаемого набора свойств используются различные методы охлаждения (рисунок 14.1)

Рисунок 14.1. Метод закалки

1. Закалка в чиллере (V1).

Деталь, нагретая до необходимой температуры, переносится в чиллер и полностью охлаждается. В качестве охлаждающей среды используются:

• вода — для крупногабаритных изделий из углеродистой стали;

• масло — для мелких деталей простой формы из углеродистой стали и изделий из легированной стали.

Главный недостаток — значительные закалочные напряжения.

2. Двухшаровая или периодическая закалка (V2).

Нагретый продукт предварительно охлаждается в более остром охладителе (воде) до температуры ~ 3000С, а затем переносится в более мягкий охладитель (масло).

Прерывистая закалка обеспечивает как можно более близкую к оптимальной скорости охлаждения.

В основном используется для закалочных инструментов.

Недостаток: трудно определить, когда переместить продукт из одной среды в другую.

3. Постепенное тушение (V3).

Продукт, нагретый до требуемой температуры, помещается в охлаждающую среду, температура которой на 30-50 ° C выше точки MH, и выдерживается в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всей секции. Время изотермической выдержки не превышает периода стабильности аустенита при данной температуре.

В качестве охлаждающей среды используются расплавленные соли или металлы. После изотермической выдержки деталь охлаждают с малой скоростью.

Метод применяется для мелких и средних продуктов.

4. Изотермическое твердение (V4).

От постепенной закалки он отличается длительностью выдержки при температуре выше MH, в области промежуточного превращения. Изотермическое поддержание включает полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит. При промежуточном превращении легированных сталей, помимо бейнита, в структуре сохраняется остаточный аустенит. Полученная структура характеризуется сочетанием высокой прочности, пластичности и вязкости. При этом уменьшается деформация, вызванная закалочными напряжениями, и фазовые напряжения также уменьшаются.

В качестве охлаждающей среды используются расплавленные соли и щелочи.

Они используются для легированных сталей.

5. Самозатвердевающее упрочнение.

Нагретые продукты помещают в охлаждающую среду и выдерживают до неполного остывания. После снятия изделия его поверхностные слои нагреваются за счет внутреннего тепла до необходимой температуры, то есть выполняется самотемпература. Он используется для продуктов, которые должны сочетать в себе высокую твердость поверхности и высокую вязкость сердечника (ударные инструменты: намоточные, долота).

Графитизация, особенности ковкого чугуна, понятие о ферритном и перлитном КЧ

В металлургии ковкий чугун получают графитизацией доэвтектического белого чугуна, содержащего графит в количестве 2-4,3%. Во время графитизации отжиг происходит таким образом, что цементит (карбид железа) разлагается, углерод полностью или частично превращается в графит (отожженный углерод). Углерод в CN является важным элементом, определяющим его механические свойства, чем выше марка чугуна, тем ниже содержание графита. За счет технологического процесса, вносящего изменения в состав сплава, КЧ приобретает пластичность; по свойствам он находится между серым чугуном и сталью. В отличие от стали сплав обладает текучестью, демпфирующей способностью (поглощение вибрации) и повышенной износостойкостью.

Физические свойства высокопрочного чугуна.

КЧ выпускается в камерных и туннельных печах непрерывного действия.

Неоспоримыми преимуществами КСН являются:

• однородность;
• отсутствие стресса;
• высокие механические и антикоррозионные свойства;
• отличная устойчивость к влажному воздуху, парам, воде;
• пластик;
• сила;
• KCH подходит для сварки, уплотнения, прессования, холодной и горячей правки, резки.

Высокая стойкость КН объясняется незначительным влиянием флокулирующей структуры на механические характеристики металлического сердечника. Изделия из такого сплава отличаются вязкостью и пластичностью, хорошей стойкостью к ударным нагрузкам, но изделия не кованые, а отлитые. К недостаткам материала можно отнести сложную технологию, длительность производственного процесса.

По способу производства CS подразделяется на ферритный класс F (черный сердечник) и перлитный класс P (белый сердечник). Ферритный CN получают двухстадийным графитовым отжигом белого чугуна. Перлитные УН получают отжигом в окислительных средах. В результате происходит изменение структуры чугуна и обезуглероживание. Это один из самых прочных видов чугуна. В этом сплаве высокопрочная основная масса с металлической структурой дополняется превосходной формой и распределением графитовой структуры.

Сфера использования

Благодаря высокой плавкости и механическим характеристикам полуфабрикатов, типичной и относительно простой технологии производства чугун с шаровидным графитом используется в качестве материала для конструкций в самых разных отраслях промышленности.

Использование заготовок из этого чугуна оправдано с экономической точки зрения. Они значительно дешевле стальных отливок.

Ковкий чугун широко используется в тракторной, автомобильной и других отраслях промышленности:

• Для предприятий машиностроения отливки, как правило, изготавливают на ферритовой основе, немного — на перлите. Но литейные и механические свойства последнего намного выше.
• Ковкий перлитный сплав нашел свое применение в сельской промышленности в качестве современного конструкционного сплава и заменителя углеродистой стали. Области использования этого сплава определяют его высокие эксплуатационные, конструкционные и технологические свойства, а зачастую и наилучшее сочетание этих характеристик.

Ключевой особенностью сплава является его использование для изготовления как легких деталей (например, поршневых колец), так и крупных элементов весом до 150 тонн, независимо от толщины стенок детали. Элементы используются не только в расплавленном виде, но и после необходимых термических и механических обработок.

Коленчатые валы для двигателей больших автомобилей и дизельных тракторов считаются яркими примерами использования этого типа материала, пришедшего на смену стальным изделиям. Преимущество использования изделий из чугуна не только в невысокой цене по сравнению со стальными фасонными деталями, но и в их превосходстве по эксплуатационным свойствам (гашение колебаний, работа при высоких температурах).

Применение ковкого чугуна в сельском хозяйстве, автомобиле- и судостроении

Механические свойства чугуна с шаровидным графитом по ГОСТ 1215-79.

КЧ применяется в машиностроении, основными потребителями являются отрасли тракторостроения, сельхозтехники. Ферритный чугун обладает высокой вязкостью, прочностью; он используется для изготовления не подверженных истиранию узлов, таких как фланцы, рычаги, вилки. Из перлитного чугуна изготовлены различные детали: поршни дизеля, коромысла, группы сцепления, коленчатые валы, распредвалы с кулачками, которые, взаимодействуя с кнопками, выполняют работу группы в определенном цикле, звенья цепи, собачки, гребни, ножевые головки, тормозные барабаны и т д и т д

Эти изделия работают под воздействием статических и динамических нагрузок, истирания. Преимуществами перлитного чугуна являются прочность, износостойкость, высокая усталостная прочность, жаростойкость, исключение вибрации.

КЧ применяется в автомобилестроении при изготовлении тонкостенных отечественных отливок, работающих под действием динамических знакопеременных нагрузок.

Сплав используется для изготовления трансмиссий, трансмиссий, ступиц колес, шестерен, трансмиссий, дифференциалов, систем рулевого управления, опор двигателя и пружин, тормозных колодок, роликов, прокладок, крышек, балансиров, пальцев, карданных валов, коллекторов и т.д.оборудование для кораблей. Из него делают иллюминаторы, кронштейны мачты, уключины, полки, модели пароводяных подключений.

В автомобилестроении они используются при изготовлении запасных частей к пневматическим тормозам, подшипникам, кронштейнам, тяговым соединениям, тягово-амортизирующим устройствам, кронштейнам; эти детали работают при ударах, изгибах, износе.

Применение КЧ в различных сферах промышленности

Разборная цепь из высокопрочного чугуна: а — конструкция; б — способ сборки-разборки.

Хомуты, изоляционные крючки, заглушки, держатели проводов производит КЧ в электротехнической промышленности. Продукция подвержена изгибающим и ударным нагрузкам. В станках, текстильных машинах, шестерни, вилки, вязальные спицы и все виды деталей бумагоделательных машин производятся КЧ, то есть те детали, которые подвергаются статическим и динамическим нагрузкам, износу и трению. Используются антифрикционные серые марки высокопрочного чугуна, обеспечивающие минимальное трение в точках соприкосновения деталей.

Обезуглероженные марки КСН используются при производстве сантехнического и строительного оборудования, различных деталей. Сантехническими изделиями могут быть: краны для водоснабжения и канализации, переходники фланцевые для соединения чугунных систем с пластиковыми, арматура, трубы, радиаторы отопления. Эти продукты подвергаются воздействию водной среды. В газовых установках КЧ применяется при изготовлении арматуры для соединения труб в точках ответвления.

Кроме того, различные марки КЧ могут быть использованы в оборонной промышленности, в ландшафтном дизайне при формировании декоративных элементов: фигурные изгороди, скамейки, ворота, калитки; при производстве декоративной мебели, подверженной атмосферным осадкам: столы и стулья для террас, беседок для загородных домов; при производстве бытового и промышленного оборудования: ванные комнаты, газовые плиты, стиральные машины, посуда (кастрюли, сковороды).

Благодаря своим высоким прочностным свойствам высокопрочный чугун используется в качестве конструкционного материала во многих отраслях промышленности.

Отжиг: технология и фазовые превращения

Схема изотермических превращений аустенита в чугуне с шаровидным графитом с 2,9% С; 0,88% Si, 0,36% Mn и 0,09% S.
В соответствии с полученной структурой, податливый материал делится на белый сердцевинный материал (перлит) и черный сердцевинный материал (ферритный). Перлит более твердый и износостойкий, а ферритный — более прочный и стойкий. Структура ковкого чугуна (включения феррита или перлита + графит) определяется характеристиками отжига, температуры и времени выдержки (выдержки) в печи.

Свойства готового материала зависят от конструктивных элементов и их формы. Структура чугуна для отжига во всех отношениях при достижении требуемых свойств не должна содержать выделений свободного графита, он должен быть «обесцвечен» по всему сечению. По этой причине количество кремния, содержащегося в сплаве, который способствует графитизации, ограничено.

Перлитная основа

Основные виды чугунов.
Ковкий чугун с белой сердцевиной (перлитный) получают в результате обезуглероживающего отжига отливок из порошка железной руды. Популярность этой технологии в прошлом связана с повышенным содержанием углерода в отливках куполов (3,4 — 3,6%).

Современное литье под куполом обеспечивает более низкое содержание углерода (до 3%).

Для перлитного ковкого чугуна применяют отливки из белого чугуна, содержащего углерод в количестве 3,0 — 3,6%, технологические добавки кремния, марганца, фосфора, серы. Их помещают в ящики и засыпают порошком или хлопьями свежего минерала. При отжиге в железной руде образуется окислительная среда, и углерод частично сгорает (окисляется). Поверхностный слой на глубине 2 мм полностью обезуглероживается.

Полученное литое изделие имеет такую ​​же, как сталь, прочность на растяжение и усталость, а также более высокую износостойкость. После обезуглероживания отливка по сечению приобретает разные свойства: меньшую поверхностную твердость и более высокую в сердцевине.

Нагрев происходит в один этап: до 1000 ºC, после чего следует длительная выдержка (от 60 до 100 часов) и медленное непрерывное охлаждение вместе с духовкой. Структура «белое сердце» состоит из перлита, имеющего в изломе серебристо-белый цвет.

Основные характеристики металла

Основные характеристики металла напрямую зависят от процентного содержания углерода в его составе. Структура высокопрочного чугуна представляет собой кристаллическую решетку, в которой присутствуют частицы углерода в виде графита. Кроме того, в составе присутствует небольшое количество кремния, марганца и хрома.

Структура податливого материала влияет на детали и детали, изготовленные из него. Например, один тип ферритного материала имеет более низкий показатель прочности, чем перлит. При использовании чешуйчатых частиц графита материал становится более прочным и пластичным. Детали из ковкого чугуна могут изменять размер и форму при длительном воздействии температуры и влажности окружающей среды.

Однако из названия материала нельзя говорить о методах обработки. Этот вид чугуна по нормам, указанным в ГОСТах, на кузнечном оборудовании не производится. Для этого используется технология фьюжн. Благодаря этому в готовом металле отсутствуют внутренние и поверхностные напряжения. Характеристики:

1. Высокая текучесть и прочность.
2. Устойчив к коррозионным процессам.
3. Металл выдерживает длительное воздействие кислот и щелочей.

Однако характеристики этого материала быстро ухудшаются при воздействии низких температур. Он становится хрупким и разрушается от ударов.

Термическая обработка

Материал, полученный в результате термической обработки, то есть отжига, может многократно подвергаться воздействию температуры. Их основное назначение — дальнейшее повышение прочности, износостойкости, коррозии и старения.

1. Упрочнение применяется для конструкций, требующих высокой твердости и вязкости; произведенные путем нагрева до 900 ˚C, детали охлаждаются со средней скоростью около 100 C / сек с использованием машинного масла. Далее следует высокая температура с нагревом до 650 и охлаждением на воздухе.
2. Нормализация используется для небольших и простых деталей путем нагрева в печи до 900 ° С, выдержки при этой температуре в течение периода от 1 до 1,5 часов, а затем охлаждения на воздухе. Обеспечивает троостит гранулированный перлит, его твердость и надежность при трении и износе. Применяется для получения антифрикционного высокопрочного чугуна на основе перлита.
3. Отжиг проводится многократно при производстве антифрикционного материала: нагрев — до 900 ° С, длительное воздействие этого тепла, охлаждение вместе с печью. Обеспечивает ферритную или ферритно-перлитную структуру антифрикционного высокопрочного чугуна.

Нагрев чугунных изделий может осуществляться локально или комплексно. Для местного применения применяют токи высокой частоты или ацетиленовое пламя (тушение). Для сложных отопительных печей. При локальном нагреве затвердевает только верхний слой, при этом увеличивается его твердость и прочность, но сохраняются пластичность и вязкость сердцевины.

здесь важно подчеркнуть, что ковка чугуна невозможна не только из-за недостаточных механических характеристик, но и из-за его высокой чувствительности к резкому перепаду температуры, неизбежному при закалке с водяным охлаждением.

Механические свойства металла

Механические свойства КП зависят от общей доли углерода, входящего в его химический состав и отжиг. Для получения качественного сплава следует выбирать отливки из чугуна с низким содержанием углерода от 2,4 до 2,7%. Показатель твердости напрямую зависит от состава, величина прочности и пластичности — от количества графита. В отличие от материала сферического графита, важную роль играет не только форма, но и количество зерен графита.

Согласно этому, максимальная прочность может быть достигнута при получении дисперсного перлита с небольшим количеством компактного графита, а максимальная пластичность — при получении феррита с таким же объемом графита. Показатель обрабатываемости ковкого сплава близок к таковому у чугуна с шаровидным графитом.

Ковкий чугун обычно используется в условиях низких температур, но по сравнению с серым сплавом он имеет более высокий индекс хрупкости. Влияние температуры на химические свойства ковкого сплава в основном проявляется при отметке выше 400 градусов в снижении упругости и предела текучести, а также в повышении показателя относительного удлинения после разрушения.

Порог хрупкости феррита значительно ниже, чем у перлита. При отсутствии дефектов отливки отливки из ковкого сплава герметично запаивают под давлением выше 20 МПа. Перлитный высокопрочный чугун обладает высокой износостойкостью при работе со смазкой при давлении до 20 МПа и быстро изнашивается от трения без смазки.

Антифрикционные ковкие чугуны

Эта разновидность относится как к ковким, так и к сплавам, они бывают серые (АСФ), ковкие (АЧК) и высокопрочные (АЧВ). Для производства АЧК используется высокопрочный чугун, который подвергают отжигу или нормализации. Процессы проводятся с целью повышения его механических свойств и формирования нового свойства — устойчивости к износу при трении с другими деталями.

Маркировка: АЧК-1, АЧК-2. Применяется для производства коленчатых валов, шестерен, подшипников.

Влияние добавок на свойства

Помимо железоуглеродной основы и графита, они также содержат другие компоненты, которые также определяют свойства чугуна: марганец, кремний, фосфор, серу и некоторые легирующие элементы.

Мангано улучшает текучесть жидкого металла, коррозионную стойкость и износостойкость. Он способствует повышению твердости и стойкости, связыванию углерода с железом по химической формуле Fe3C и образованию гранулированного перлита.

Кроме того, кремний положительно влияет на текучесть жидкого сплава, способствует разложению цементита и выделению включений графита.

Сера — отрицательный, но неизбежный ингредиент. Он снижает механические и химические свойства и стимулирует образование трещин. Однако рациональное соотношение его содержания с другими элементами (например, с марганцем) позволяет скорректировать микроструктурные процессы. Следовательно, при соотношении Mn-S 0,8-1,2 перлит остается в любой момент воздействия температуры. При увеличении коэффициента до 3 появляется возможность получить любую требуемую структуру в зависимости от заданных параметров.

Фосфор изменяет текучесть в лучшую сторону, влияет на прочность, снижает ударную вязкость и пластичность, а также влияет на долговечность графитизации.

Хром и молибден препятствуют образованию чешуек графита, в некоторой степени способствуют образованию гранулированного перлита.

Вольфрам улучшает износостойкость при работе в условиях высоких температур.

Алюминий, никель, медь способствуют графитизации.

Регулируя количество химических элементов, составляющих железоуглеродистый сплав, а также их соотношение, можно влиять на конечные свойства чугуна.

Преимущества и недостатки

Ковкий чугун — это материал, который широко используется в технике. Его основные преимущества:

• высокие показатели твердости, износостойкости, прочности и текучести;
• нормальные характеристики вязкости и пластичности;
• технологичность при обработке давлением, в отличие от серого чугуна;
• различные варианты корректировки свойств конкретной детали методами термической и химико-термической обработки;
• бюджетный.

К недостаткам можно отнести индивидуальные особенности:

• хрупкость;
• наличие включений графита;
• плохая режущая способность;
• значительный вес отливок.

Несмотря на имеющиеся недостатки, высокопрочный чугун занимает важнейшее место в металлургии и машиностроении. Он используется для производства важных деталей, таких как коленчатые валы, детали тормозных колодок, звездочки, поршни, шатуны. При незначительном разнообразии марок ковкий чугун занимает в отрасли отдельную нишу. Его использование характерно для тех нагрузок, при которых применение других материалов маловероятно.

Итог

Ковкий чугун широко используется в различных сферах жизни человека благодаря своим свойствам высокой прочности и хорошей коррозионной стойкости.

Их используют для изготовления различных деталей, которые должны выдерживать постоянные и периодические значительные нагрузки.

В зависимости от области применения можно использовать ферритный или перлитный материал.