Чугун ковкий

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 01 Сентября 2024

Свойства и признаки ковкого чугуна:

Отливки из черно-сердечного ковкого чугуна получают с помощью графитизирующего отжига белого чугуна. Они обладают высокими σ_в и δ благодаря образованию при отжиге хлопьевидного графита, который более компактный по сравнению с пластинчатым графитом в сером чугуне. Металлическая структура у ковкого чугуна, как и у других видов чугуна, может быть ферритной или перлитной, что зависит от химического состава и выбранных условий термической обработки.

Главные достоинства отливок из КЧ состоят в равномерности их характеристик по всему сечению и почти полном отсутствии напряжений. КЧ в основном используется для отливок с толщиной стенок от 3 до 50 мм, что связано с необходимостью гарантированного получения структуры БЧ при литье и обеспечения равномерности строения и характеристик во всех сечениях отливки. Максимальная прочность достигается при высокодисперсном перлите и минимальном количестве и наибольшей плотности графита, а высшая пластичность — при феррите и аналогичном графите.

Температура оказывает влияние на химические свойства КЧ главным образом при превышении 400 °С, что приводит к снижению σ_в и σ_0,2, а также к увеличению δ. Ферритный КЧ имеет более низкий порог хрупкости по сравнению с перлитным КЧ (обычно при —80 °С); при повышении твердости перлитного КЧ порог хрупкости увеличивается.

Если отливки из КЧ не содержат дефектов, они способны сохранять герметичность при давлении 20 МПа и выше.

Перлитный КЧ демонстрирует высокую износостойкость в условиях работы со смазкой при давлении до 20 МПа, но быстро изнашивается при отсутствии смазки. Перлитно-ферритный КЧ обладает относительно низкими антифрикционными свойствами при использовании смазки и хорошими при работе без неё.

Обрабатываемость КЧ схожа с обрабатываемостью высокопрочного чугуна.

Белый чугун характеризуется значительной объемной и линейной усадкой как во время кристаллизации, так и в твердом доперлитном состоянии, при этом предусадочное расширение остается достаточно незначительным. Это приводит к тому, что в сложных отливках часто возникают горячие и холодные трещины. Поэтому использовать металлические формы, которые значительно препятствуют усадке, для изготовления сложных отливок практически невозможно. Чтобы уменьшить склонность чугуна к трещинообразованию, необходимо свести к минимуму содержание Р и S, а также снижать уровни N и О в чугуне, оптимизировать температуры заливки и так далее.

По сравнению с КЧ, высокопрочный чугун характеризуется улучшенными литейными и более высокими механическими свойствами, возможностью в ряде случаев обходиться без термической обработки, а также применением для деталей различных масс и размеров. Из-за этого в последние годы отливки из КЧ значимо уступают место отливкам из высокопрочного чугуна, особенно там, где это экономически оправдано.

По своим литейным и механическим характеристикам он занимает срединное положение между серым чугуном и сталью. По разнообразию свойств, зависящих от структуры, ковкий чугун близок к стали и в некоторых случаях служит её полноценной заменой. В отличие от стали, ковкий чугун обладает улучшенной демпфирующей способностью и низкой чувствительностью к надрезам.

Изделия из ковкого чугуна изготавливаются практически без остаточных напряжений. Структура этого чугуна обеспечивает высокую плотность металла. Отливки с толщиной стенок 7—8 мм могут выдерживать гидростатическое давление до 40 am, благодаря чему ковкий чугун широко используется для производства различных деталей водопроводных, газопроводных и паропроводных систем.

Ковкий чугун показывает хорошие результаты при низких температурах, однако по сравнению с серым чугуном имеет большую склонность к хрупкому динамическому разрушению.

Несмотря на широкий ассортимент изделий и разнообразные области применения, ковкий чугун преимущественно используется для изготовления тонкостенных литых изделий (толщина стенок от 3 до 40 мм). Это обусловлено необходимостью гарантированного получения отбела и однородности свойств во всех сечениях отливки как во время начальной кристаллизации белого чугуна, так и в процессе термической обработки. Поддержание равномерной толщины стенок изделий из ковкого чугуна является обязательным требованием для обеспечения высокого качества и экономичности производства.

Химический состав ковкого чугуна не регламентируется ГОСТом и определяется требованиями к его механическим и технологическим свойствам. Основные элементы, влияющие на свойства ковкого чугуна, — углерод и кремний, а при производстве перлитного чугуна также марганец, хром и другие.

Механические характеристики ковкого чугуна во многом зависят от количества углеродистых включений, образованных при отжиге. Поэтому для производства высококачественных сплавов предпочтение следует отдавать низкоуглеродистым маркам чугуна (2,4—2,7% С).

Содержание углерода в дуплекс-процессе (вагранка—электропечь) при производстве ковкого чугуна составляет 2,2—2,9%, а при ваграночной плавке — 2,7—3,1%. Уровень кремния определяется толщиной стенок отливки и допустимыми пределами общего содержания углерода и кремния, которое для высококачественного ферритного ковкого чугуна не должно превышать 3,7—3,8%, а для низкосортного ваграночного — 4,0—4,1%.

Возможные варианты химического состава ковкого чугуна, используемого для автомобильных отливок, представлены в таблице ниже.

4. Химический состав и характеристики ковкого чугуна для автомобильных отливок [2]

Элементы, способствующие образованию карбидов, при высоком содержании в чугуне замедляют процесс графитизации. Некоторые из них (Ti, Ta, Zr, Nb) при низком содержании оказывают модифицирующее действие, ускоряя графитизацию. Элементы, такие как С, Si, Al, способствуют ускорению графитизации. Наличие Ni и Си имеет неоднозначное воздействие: они ускоряют первую стадию графитизации, но замедляют вторую.

Углерод, формируя графитные включения, играет ключевую роль в регулировании механических свойств ковкого чугуна. Наивысшие свойства демонстрирует чугун с пониженным содержанием углерода. Однако такой чугун обладает низкой жидкотекучестью и требует длительного отжига. Для эффективного заполнения литейной формы низкоуглеродистый ковкий чугун необходимо сильно перегревать.

Кремний. Необходимое количество кремния определяется множеством факторов, таких как количество углерода, толщина стенок, желаемая степень графитизации и других. Обычно содержание кремния рассчитывается как сумма С + Si: для высококачественного ферритного чугуна она составляет 3,7—3,8%, а для низкосортного — 4,0—4,1%. Высокая сумма С + Si может вызвать образование пластинчатого графита при первичной графитизации, что существенно снижает механические свойства чугуна. При низкой сумме С + Si даже при длительном отжиге полная графитизация чугуна не достигается. Содержание кремния до 1,5% способствует улучшению механических свойств ковкого чугуна. Такие же результаты могут быть достигнуты за счет совместного увеличения содержания кремния и фосфора, однако это уменьшает ударную вязкость. Кремний значительно ускоряет графитизацию.

Марганец. Этот элемент усиливает прочность феррита и увеличивает количество связанного углерода. При содержании марганца в пределах 0,8—1,4% возрастает количество перлита в структуре и улучшается прочность чугуна, однако заметно снижается пластичность и ударная вязкость. Марганец снижает температуру эвтектоидного превращения, что осложняет вторую стадию графитизации и способствует формированию зернистого перлита. При изготовлении ферритного ковкого чугуна содержание марганца должно оставаться ниже 0,6%, а для перлитного — не превышать 1,2%.

Сера. Избыточное содержание серы считали вредной примесью, замедляющей первую стадию графитизации ковкого чугуна. Однако выяснилось, что растворяясь в металлической основе, излишняя сера позволяет получить ковкий чугун с высокими механическими характеристиками и компактной формой графита.

Исследования демонстрируют, что уровень серы в ковком чугуне с ферритной структурой, модифицированном алюминием, можно повысить до 0,20% без наращивания продолжительности отжига. При этом улучшаются механические свойства благодаря оптимизации формы графита, усилению феррита и перлитизации металлической основы.

Ключевое влияние на структуру и свойства ковкого чугуна оказывает соотношение содержания марганца и серы. Установлено, что при соотношении Mn : S менее 1,7 отливки из белого чугуна даже в достаточно толстых сечениях не содержат первичных выделений графита. Скорость распада эвтектических карбидов на первом этапе отжига мало зависит от соотношения марганца к сере. При соотношении Mn : S = 0,8—1,2 перлитная структура сохраняется независимо от продолжительности второго этапа графитизации, а форма графита становится шаровидной. При увеличении соотношения Mn : S наблюдается переход к перлито-ферритной и ферритной структурам металлической основы и снижение компактности выделений графита. Варьируя соотношение Mn : S от 1,0 до 3,0, можно получить различные структуры (от перлитной до ферритной) и механические свойства ковкого чугуна в соответствии с ГОСТ 1215—59, без изменения состава других химических элементов и технологии производства.

Фосфор. При содержании более 0,20% увеличивается жидкотекучесть чугуна и незначительно повышается предел прочности при растяжении, однако резко снижается ударная вязкость и повышается риск хладноломкости. Также фосфор ускоряет первую стадию графитизации и замедляет вторую.

Хром является самым сильным замедлителем графитизации в ковком чугуне. Обычно его содержание ограничивается до 0,06—0,08%. Если уровень хрома увеличивается до 0,1—0,12%, это требует применения специальных методов для получения ферритного ковкого чугуна, таких как продление времени отжига и предварительная закалка отливок. Трудности при производстве ферритного ковкого чугуна с высоким содержанием хрома связаны с образованием сложных карбидов, устойчивых при высоких температурах, и замедлением диффузионных процессов в металлической основе. Широкое применение металлолома с легированной сталью в производстве ковкого чугуна вызывает повышение концентрации хрома в шихте и требует поиска методов нейтрализации его воздействия на процесс графитизации. Так, совместное модифицирование ковкого чугуна с использованием алюминия, бора и сурьмы или ферротитана позволяет получать ферритный и перлитный ковкий чугун с содержанием хрома до 0,2%, обладающий высокими механическими свойствами без увеличения времени отжига.

Молибден способствует уменьшению размера перлита и графитовых включений, повышает предел прочности (на 3—7 кГ/мм² при добавке 0,5% Mo), но усложняет процесс графитизации из-за образования легированного цементита и специальных карбидов. Он воздействует подобно хрому, но менее интенсивно. Молибден предотвращает хрупкость ковкого чугуна в интервале температур 300—500°C.

Ванадий. Добавка 0,05—0,10% ванадия способствует производству износостойкого ковкого чугуна с сорбито-перлитной структурой. Прочностные характеристики увеличиваются на 30—40%.

Свойства при высоких и низких температурах. При повышенных температурах сопротивление ковкого чугуна упругим и пластическим деформациям снижается. Пластичность также несколько уменьшается при кратковременных испытаниях.

Характерной чертой поведения чугуна при высоких температурах является его увеличение в объеме, связанное с необратимым расширением. Этот рост особенно усиливается при термоциклировании — периодическом нагреве и охлаждении. Причинами роста чугуна являются графитизация при нагреве и выделение растворенного углерода на новых центрах графитизации при охлаждении, а также проникновение кислорода внутрь изделия, вызывающее окисление металлической матрицы чугуна, особенно по границам включений графита или зерен. Рост весьма значителен при неодновременном превращении в различных слоях металла при частых изменениях температуры. Это приводит к объемным изменениям, создающим сжимающие и растягивающие напряжения, приводящие к возникновению микротрещин. Микротрещины сами увеличивают объем чугуна и служат дополнительными каналами для окисления металлической основы агрессивными газами.

Ковкий чугун склонен к менее интенсивному росту по сравнению с серым чугуном благодаря изолированным в металлической матрице компактным графитовым включениям. Перлитный ковкий чугун с низким содержанием кремния, а значит и меньшей склонностью к графитизации, также мало подвержен росту при субкритических температурах. При этом ковкий чугун в условиях субкритических температур демонстрирует в 2—3 раза большую ростоустойчивость по сравнению с обычным серым чугуном. Однако при высоких надкритических температурах, когда сопротивляемость металлической матрицы к окислению снижается и значительно растворяется графит, процессы роста в ковком чугуне происходят столь же активно, как и в сером чугуне. Следовательно, изделия из ковкого чугуна могут функционировать долго только при температурах, на которых процессы окисления ограничены.

При повышении температуры испытаний выше 400—450° С наблюдается значительное снижение прочности. В условиях водяного пара, который является мощным окислителем, рекомендуемая рабочая температура для отливок из ковкого чугуна не должна превышать 300° С. Следует также отметить, что ферритный ковкий чугун хуже противостоит окислению, чем перлитный.

Ковкий чугун демонстрирует невысокую долговечность при температуре 300—400° С, которая резко уменьшается при дальнейшем повышении температуры. Характер кривой ползучести и ее темп изменения зависят от структуры чугуна, температуры и приложенных напряжений.

Согласно исследованию, долговечность перлито-ферритного ковкого чугуна при 425°C (в ходе испытаний продолжительностью 4000 часов) сопоставима с литой сталью марки 25Л после отжига. При этом кратковременная прочность стали на этой температуре выше, чем у чугуна. При температурах выше 500°C долговечность феррито-перлитного чугуна уступает указанной стали. Ферритный ковкий чугун показывает меньшую долговечность и кратковременную прочность по сравнению со сталью при всех температурах. Сопротивление ползучести ковкого чугуна выше, чем у серого чугуна, но ниже чем у высокопрочного чугуна.

В отличие от серого чугуна, с понижением температуры ферритный ковкий чугун становится более хрупким из-за насыщения азотом.

Наиболее распространенный модификатор ковкого чугуна — алюминий. Присадки его в количестве 0,015—0,025% от массы расплавленного металла обеспечивают отсутствие первичного графита при стандартном содержании углерода и кремния и толщине стенки отливки до 40 мм. Повышение механических свойств при оптимальных добавках алюминия связано с увеличением дисперсности и более равномерным распределением графита в металлической основе, а также возможным упрочнением феррита. Дальнейшее увеличение содержания алюминия в ковком чугуне приводит к резкому снижению механических свойств.

Широко используются модифицирующие смеси, одним из основных элементов которых является бор. Оптимальная присадка бора в количестве 0,002—0,003% повышает механические свойства ферритного ковкого чугуна и сокращает время графитизирующего отжига.

Компоненты модифицирующих смесей, помимо графитизирующих элементов (алюминия и бора), часто включают антиграфитизирующие элементы (висмут, сурьму, теллур), которые способствуют образованию сквозного отбела при толщине стенки до 80 мм. Доля висмута в составах составляет от 0,001% до 0,003%, а наиболее подходящее содержание сурьмы варьируется от 0,002% до 0,004%.

Процесс модифицирования уменьшает зависимость механических свойств от изменений температуры заливки металла в форму и его химического состава, что позитивно влияет на технологичность ковкого чугуна. Важно помнить, что эффективность влияния модификаторов на механические свойства ковкого чугуна и снижение времени отжига зависят от времени нахождения металла в ковше перед разливкой. При чрезмерном увеличении этого времени эффект модифицирования значительно уменьшается.

Смеси с добавками алюминия, бора и висмута, а также алюминия, бора и сурьмы эффективно устраняют негативное воздействие хрома на процесс графитизации. Даже при содержании хрома в пределах 0,18—0,20% ковкий чугун сохраняет высокие механические свойства, хорошо обрабатывается и не требует длительной термообработки.

Воздействие нормализации, закалки и отпуска. Нормализация улучшает прочность, твердость и износостойкость ковкого чугуна, хоть и снижает его пластичность. Этот процесс увеличивает содержание перлита в структуре материала.

Закалка с последующим высоким отпуском является проверенным методом для получения ковкого чугуна со структурой зернистого перлита. Максимальная твердость закаленного ферритного и феррито-перлитного ковкого чугуна достигается при

Технологические характеристики. Литейные характеристики (плавкость, усадка, склонность к появлению горячих трещин) определяют ковкий чугун как пригодный литейный материал.

Плавкость является особо важной характеристикой, поскольку большинство отливок имеют сложную форму, небольшой вес и тонкие стенки. Белый чугун, из-за низкого содержания углерода, кремния и фосфора, имеет сниженную плавкость в сравнении с серым чугуном.

Плавкость увеличивается с повышением содержания кремния, фосфора и особенно углерода. Сера и марганец по отдельности имеют незначительное влияние на плавкость, однако высокое содержание обоих элементов приводит к образованию тугоплавкого соединения MnS в расплаве и снижению плавкости.

Процесс усадки и склонность к возникновению горячих трещин. Величина усадки определяется химическим составом чугуна и техникой производства отливок. Усадка в жидком состоянии и в процессе затвердевания приводит к образованию усадочных раковин и пористости, а в твердом состоянии — к различиям в размерах модели и отливки.

Объем усадочных раковин и усадочной пористости определяется объемной усадкой сплава во время кристаллизации отливки, то есть при переходе жидкого чугуна в твердое состояние.

Белый чугун имеет большую усадку при затвердевании по сравнению с серым чугуном, но меньшую, чем высокопрочный чугун.

Усадочные раковины и пористость образуются в тех частях отливок, где металл твердеет последним, то есть в местах с наибольшей массой металла и минимальным отводом тепла. Эти дефекты могут быть макро- и микроскопическими, концентрированными и рассредоточенными, внутренними и наружными в зависимости от формы отливок. Чтобы предотвратить возникновение усадочных дефектов, при проектировании отливок необходимо предусмотреть возможность направленного затвердевания. Литниковая система для отливок из ковкого чугуна должна обязательно включать прямые и отводные питающие бобышки (прибыли) в массивных частях отливок и "горячих узлах" [8].

Объемная и линейная усадка чугуна в твердом состоянии определяется не только термическим сжатием, но и выделением газов из твердого металла, фазовыми превращениями, сопротивлением формы и прочим. Она существенно влияет на величину напряжений и риск появления горячих и холодных трещин в отливках.

Также при отжиге отливок из белого чугуна происходит увеличение размеров («положительная усадка»), что связано с графитизацией. Общая усадка серого чугуна меньше по сравнению с белым. Данные о линейной усадке белого чугуна в зависимости от типа усадки (свободная, затрудненная) и размеров отливки представлены на рис. 14. Усадка при заливке в сухие формы меньше, чем в сырые.

Во время процесса отжига белого чугуна происходит увеличение объема и линейных размеров отливок. В результате общая величина усадки ковкого чугуна варьируется в достаточно широких пределах. В среднем ее можно принять равной 0,8—1,0%.

Тем не менее, эти значения следует уточнять для конкретных условий (особенности производства, атмосфера печи, размеры отливок, марка чугуна и т. д.). Плотность чугуна в процессе отжига уменьшается.

Затруднения при усадке белого чугуна в процессе кристаллизации ведут к его увеличенной предрасположенности к образованию горячих трещин. Усадка в твердом состоянии влияет на уровень литейных напряжений, выливающихся в образование как горячих, так и холодных трещин. Литейные напряжения в отливках из белого чугуна значительно превышают таковые в отливках из серого чугуна и стали из-за более высокого модуля упругости по сравнению с серым чугуном и меньшей теплопроводности, чем у стали. Поэтому в процессе проектирования необходимо отдавать предпочтение конструкциям со свободной усадкой и избегать резких переходов в толщине стенок различных сечений отливок, что приводит к концентрации напряжений и снижению усталостной прочности.

Остаточные напряжения в изделиях из ковкого чугуна невелики и не превышают 0,5 кГ/мм², что связано с длительным графитизирующим отжигом при высоких температурах. Поскольку белый чугун обладает худшими литейными свойствами по сравнению с серым чугуном — более низкой жидкотекучестью, большей линейной усадкой, склонностью к возникновению горячих и холодных трещин, а также газовых раковин, это предъявляет повышенные требования к технологичности конструкции отливок из ковкого чугуна.

Отливкам следует по возможности придавать такую форму и располагать их в литейной форме таким образом, чтобы соблюдался принцип направленного затвердевания. Для питания утолщенных частей отливки часто используются боковые прибыли. Участки с утолщениями, которые невозможно питать прибылиями, нужно охлаждать наружными холодильниками. Придавая отливке ту или иную форму, конструктор должен учитывать возможность удобного размещения прибылей, исходя из простоты формовки.

Для предотвращения возникновения горячих и холодных трещин необходимо принимать следующие меры предосторожности:

избегать резких изменений сечений, крупных выступов и впадин; широко применять различные поднутрения для выравнивания толщин стенок, а также предусматривать литые отверстия в утолщенных частях отливок;

При проектировании отливок нужно стремиться к тому, чтобы их элементы во время охлаждения испытывали деформацию изгиба, а не растяжение. Это можно достичь, применяя изогнутые спицы, стенки и другие компоненты отливок;

Следует избегать чрезмерного увеличения размеров отливок, особенно там, где выступающие части затрудняют усадку. Укрепление участков, которые могут потрескаться, рекомендуется проводить с помощью ребер, приливов или другими методами.

Показатели обрабатываемости ковкого чугуна характеризуются усилием резания, ограниченным жесткостью систем станок - инструмент - деталь, качеством поверхности и износом режущего инструмента, который влияет на режимы резания и его долговечность. Параметром, часто используемым для оценки обрабатываемости, является экономическая скорость резания, которая сопоставляется со стойкостью режущего инструмента в 60 (у₆₀) или 90 (о₉₀) минут при определенных условиях резания.

Существует несколько методов определения обрабатываемости металла. Общий принцип гласит, что с увеличением прочности и твердости металла его обрабатываемость ухудшается.

Во время обработки ковкого чугуна следует учитывать, что различные марки чугуна с одинаковыми механическими и физическими свойствами могут значительно различаться по обрабатываемости. Это часто обусловлено даже минимальными изменениями в структуре. Например, включения эвтектического цементита в количестве 5-7% незначительно влияют на твердость и прочность ковкого чугуна, но существенно снижают стойкость режущего инструмента при механической обработке. Превышение допустимых пределов пластичности материала может привести к образованию нароста на передней грани инструмента, что также уменьшает его стойкость. Это может наблюдаться при обработке ферритного ковкого чугуна марок КЧ 35-10 и КЧ 37-12. Однако основной фактор, нарушающий связь между обрабатываемостью чугуна и его твердостью и прочностью, — это неоднородность структуры, особенно у перлитного ковкого чугуна. Так, чугун с крупными пластинами перлита обрабатывается хуже, чем с мелкозернистым, несмотря на его большую твердость.

Увеличение содержания углерода и кремния в структуре ковкого чугуна приводит к росту количества свободного углерода, снижению его твердости и улучшению обрабатываемости. Для достижения высокой чистоты обработанной поверхности требуется стремиться к равномерному расположению мелких углеродных включений отжига в металлической основе. Чистота обработанной поверхности перлитного ковкого чугуна выше, чем у ферритного, что особенно важно при нарезке резьбы, параметры которой на перлитном чугуне выходят более точными, чем на ферритном.

Обрабатываемость ковкого чугуна значительно ухудшают поверхностные дефекты, возникающие при отжиге в неплотно закрытой печи с окислительной атмосферой. Итогом такого отжига становится слой окалины, глубоко проникающий в приповерхностные слои отливки по границам зерен в обезуглероженном слое на глубину до 0,7—1 мм и не удаляющийся при пескоструйной и дробеструйной обработке. Создание защитной атмосферы в печи и защита отливок от окисления на всех этапах графитизации почти полностью устраняет эти дефекты, что способствует улучшению качества отливок и расширению их применения.

Области применения. Ковкий чугун как материал для конструкций широко используется в различных секторах машиностроения, благодаря его высоким физико-механическим характеристикам, простой и надежной технологии изготовления, а также более низкой стоимости по сравнению с отливками из стали, поковками и штамповками. Основным потребителем отливок из ковкого чугуна является автомобилестроение, тракторостроение, сельскохозяйственное машиностроение и другие отрасли промышленности.

На машиностроительных предприятиях в основном производят ферритный ковкий чугун, а перлитный производится в крайне малых количествах, несмотря на его высокую прочность, износостойкость, способность эффективно работать при повышенных температурах, высокую усталостную прочность и хорошие демпфирующие свойства.

Из перлитного ковкого чугуна могут производиться компоненты, такие как коленчатые и распределительные валы, поршни дизельных двигателей, коромысла клапанов, детали сцепления и прочее.

Подробное описание применения ковкого чугуна и других видов чугуна представлено в статье применение чугуна.

Подробное описание применения ковкого чугуна и других видов чугуна представлено в статье применение чугуна.