Ковкий чугун

Ковкий чугун

Ковкий чугун — другими словами это название мягкого вязкого сплава, который производится путем отливки из белого чугуна. Процесс производства включает в себя также отжиг в специальных печах с продолжительностью времени 20 — 100 часов при температуре 950 – 970 градусов Цельсия, затем следует термическая обработка. В технологии производства данного сплава применяется долгий отжиг, при котором цементит распадается и образуется графит

Ковкий чугун имеет сталистую основу, имеет в себе углерод в виде графита. В силу того, что графит имеет форму хлопьев, такой чугун немного вязкий и пластичный. Произвести ковкий чугун не так быстро и довольно дорого. Поэтому в промышленности его применение ограничено.

Сферы применения чугуна

Благодаря ценным свойствам, дешевизне и хорошим литейным характеристикам чугун применяют для изготовления различных деталей и предметов. Из чугуна можно получить изделия интересной и особенной формы, так как этот материал обладает отличной твердостью и прочностью. Сделанные чугунные предметы смогут выдержать достаточно серьезные нагрузки. Именно по этой причине из чугуна делают корпуса машин и основания станков.

  • Чугун всегда применялся для изготовления деталей и предметов тяжелой промышленности. Его использовали в металлургии и станкостроении. При этом этот материал брался в очень больших количествах. Он применялся в качестве основного для мелких изделий и для крупногабаритных предметов, масса которых достигала сотни тонн.
  • В машиностроении нашел свое применение серый чугун с графитной составляющей. Именно это вид всегда берут для изготовления ответственных деталей. Чугунные машинные изделий хорошо противостоят колебаниям и вибрации.
  • В автомобильной промышленности из чугуна изготавливают блоки цилиндров. Это ответственные детали, которые должны обладать высокой прочностью и стойкостью к износу. Этим качествам помогает соответствовать чугун. Чтобы сделать названные показатели оптимальными в чугун добавляют специальные добавки в виде графита. Графит в несколько раз повышает такое свойство сплава, как прочность. Добавки позволяют сделать чугун совершенным и использовать его при изготовлении коленчатый валов дизелей.
  • Из чугуна делают тормозные колодки. Мы знаем, что эти детали работают при повышенном трении. Чугун помогает им выдержать эти жесткие условия. Кроме этого, из чугуна делают валки мукомольный и бумагоделательных машин.
  • Чугунные изделия хорошо работают при низких температурах. Для этой целей используют ковкий вид чугуна. Из него делают узлы тракторов и сложных механизмов, которые будут в дальнейшем работать в жестких условиях.
  • Чугун широко используется для изготовления предметов быта. Это материал очень популярен среди нашего населения. Чугунные горшки, сковородки, казаны можно встретить как на обычной кухни, так в арсенале посуды ресторана. Это действительно уникальная посуда.
  • Про чугунную сковородку, которая обладает отличным качеством, знает любая хозяйка. Чугунная посуда хорошо сохраняет тепло. В ней удобно готовить блюда, для которых необходимо постоянно сохранять тепло. Чугунную посуду используют для приготовления плова, каш и рагу. Продукты в ней сохраняют массу полезных свойств. В такой пищи не образуются канцерогенные вещества. Кстати было доказано, что чугунная посуда способна обогащать продукты полезными элементами железа.
  • Для нефтяной промышленности, сложной и опасной отрасли, трубы изготавливают только из чугуна. Изделия получаются с высокими эксплуатационными качествами.
  • Чугун отличается своей долговечностью. Поэтому в наших домах до сегодняшнего времени можно увидеть мойки и ванны, которые были изготовлены более 50 лет назад и до сегодняшнего дня с успехом эксплуатируются.
  • Чугун очень часто применяют для художественных предметов. Из него делают разные произведения искусства. Так, набережная Санкт-Петербурга, практически вся украшена чугунными изделиями. Из чугуна изготавливают интересные и необычные ограждения, ажурные ветвистые ворота и чугунные памятники. Все это стало возможным благодаря хорошим литейным качествам этого материала. Сделанные вещи практически не изнашиваются и смотрятся так же даже спустя много лет. Нередко можно встретить чугунные произведения искусства в стенах музея.

Про характеристики и области применения сталей и чугунов (легированных, антифрикционных, литейных и др.) расскажем ниже.

Данное видео расскажет о сферах применения чугуна:

3.4. Порошковые конструкционные и легированные стали

Конструкционные порошковые материалы – это спеченные материалы, изготавливаемые методами порошковой металлургии и используемые для замены литых и кованых сталей при изготовлении деталей машин и приборов.

Методы порошковой металлургии позволяют получить материалы, обладающие высоким комплексом свойств, которые нельзя достигнуть при получении материалов другими способами. При этом обеспечивается большая экономия металла и значительное снижение себестоимости. При изготовлении деталей с применением механической обработки отходы могут составлять до 40 %, и при изготовлении деталей из порошковых сталей – 2 — 5 %.

Основным документом, регламентирующим марки и свойства, применяемые конструкционные порошковых материалов на основе железа, является ГОСТ 28378 – 89. Наряду с порошковыми сталями могут изготавливаться изделия из порошка железа. Для обозначения порошковых материалов принята буквенно-цифровая маркировка. В материалах на основе порошков железа приняты следующие обозначения:

Цифры после букв обозначают долю этого элемента в целых %, а цифра в конце марки после тире – плотность материала, Мг/м 3 .

Пример маркировки: ЖГрО,4Д4НЗ-7,3 – конструкционный порошковый материал на основе порошка железа (Ж), содержащий 0,4 % графита, 4 % меди, 3 % никеля и имеющий плотность 7,3 Мг/м 3 .

Основой порошковых сталей служит железо, а также порошки железа, легированного другими элементами (медью, фосфором, хромом, никелем, молибденом).

В марках порошковых конструкционных материалов из углеродистых и легированных сталей первая буква определяет класс материалов: «С» — сталь, вторая буква «П» указывает, что материал получен методом порошковой металлургии. Первая цифра после букв «СП», как и в случае конструкционных сталей, показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Последующие буквы обозначают легирующие элементы, а цифры после них – их среднее содержание в целых процентах. В конце марки через тире указывается группа плотности материала (1 — 4).

Пример маркировки: СП50ХНМ-3 – порошковый конструкционный материал из стали 50ХНМ третьей группы плотности.

Классификация порошковых сталей подчиняется тем же правилам, что и для сталей, получаемых традиционными методами. Однако существует еще один дополнительный признак классификации – объемное содержание пор: непроницаемые (содержание пор менее 5–8 %), полупроницаемые (8–14 %) и проницаемые (более 12–14 %).

В связи со сравнительно низкой прочностью и твердостью порошковых изделий применяют дополнительное легирование углеродом. При этом материал приобретает способность закаливаться, повышать прочность и твердость. Углеродистые порошковые стали могут быть получены непосредственным введением в железный порошок графита, сажи или чугунного порошка, а также путем науглероживания изделий в процессе спекания или цементации после спекания.

Широкое применение нашли железоникелевые и железоникельмедные сплавы. Добавление к железу 5 % никеля повышает прочность и твердость, не влияя на пластичность. В связи с тем, что никель при спекании вызывает большую усадку, то для получения безусадочных изделий с высокими механическими свойствами порошковые стали легируют одновременно никелем и медью. Примеры марок: ПК10Н2Д2, ПК10Н4Д4. При одновременном легировании никелем (4 %) и медью (2 %) прочность на разрыв составляет 400–420 МПа при удлинении 7–8 %.

Читайте также  Как разобрать розетку legrand

Легирование порошковых сталей молибденом (0,2 — 1 %) используют для изготовления тяжелонагруженых деталей. Примеры марок: ПК10Н2М, ПК10Н2Д6М. Легирование хромом положительно влияет на прочность, так как хром образует карбиды.

Свойства порошковых сталей зависят от технологических режимов их получения: температуры, времени, среды спекания. Спеченные изделия могут подвергаться химико – термической обработке: азотированию, сульфидированию, хромированию.

Временное сопротивление разрыву порошковых сталей может достигать незначительного, среднего и высокого уровня в зависимости от химического состава: для стали ПК10 – 900 МПа; для стали ПК10Н2Д2 – 1300 МПа, ПК10Н2Д6М – 1800 МПа (при средней пористости 7–8 %). В зависимости от пористости и вида нагрузки применяют порошковые стали различного химического состава (табл. 3.19).

Разновидности ковкого чугуна

  • ферритным;
  • перлитным;
  • ферритно-перлитным.

Ферритный вид изделий содержит феррит и хлопьевидный графит. Перлитный вид состоит из перлита и хлопьевидного графита. Ферритно-перлитный в своем составе имеет феррит, перлит и хлопья из графита.

Структура каждого вида изображена на схемах:

Чугун на основе перлита можно получить, если охлаждать отливку в зоне распада быстрее. Тогда, вместе с ферритом, в структуре будет находиться перлит. Он сохранится при дальнейшем, достаточно медленном, проведении охлаждения сплава ниже 727 о С.

Важно! Структура ковкого чугуна зависит от температурного режима обработки и входящих в состав легирующих элементов.

На практике, в основном, используют первые два вида литых заготовок (фото и схема приведены ниже).

Применение КЧ в различных сферах промышленности

Литая разборная цепь из ковкого чугуна: а – конструкция; б – способ сборки-разборки.

Из КЧ в электропромышленности производят клеммы, крючья изоляторов, шапки, державки проводов. Изделия подвергаются изгибу и ударным нагрузкам. В станкостроении, текстильном машиностроении из КЧ производят шестерни, вилки, спицы и всевозможные детали бумагопрядильных машин, т. е. те детали, которые подвергаются статическим и динамическим нагрузкам, износу, трению. Применяют марки антифрикционного серого ковкого чугуна, который обеспечивает минимальное трение в точках контакта деталей.

Обезуглероженный КЧ марок применяется при выпуске санитарно-технического и строительного оборудования, различных деталей. Сантехническими изделиями могут быть: отводы для водопровода и канализации, переходники фланцевые для соединения чугунных систем с пластиковыми, задвижки, трубы, радиаторы отопления. Данные изделия подвергаются воздействию водной среды. В газовых системах КЧ применяют при выпуске фитингов для соединения труб в местах разветвлений.

Также различные марки КЧ могут применяться в оборонной промышленности, ландшафтном дизайне при формировании элементов декора: вычурные изгороди, скамейки, ворота, калитки; при изготовлении декоративной мебели, подвергающейся воздействию атмосферных осадков: столы и стулья для террас, беседок загородных домов; при изготовлении бытового и производственного оборудования: ванн, газовых плит, стиральных машин, посуды (котелков, сковородок).

Благодаря своим высокопрочным свойствам ковкий чугун применяют в качестве конструкционного материала во многих отраслях промышленности.

Применение ковкого чугуна

С экономической точки зрения, применение отливок из ковкого чугуна всегда обосновано. Отливки из ковкого чугуна значительно дешевле, чем отливки из стали.

Ковкий чугун широко используются в автомобильной промышленности и производстве тракторов, а также других отраслях:

  • Машиностроительные предприятия используют отливки в основном на ферритной основе и относительно немного на перлитной. Но литейно-механические свойства ковкого чугуна на перлитной основе значительно выше.
  • Перлитный ковкий чугун применяется в сельском хозяйстве как современный конструкционный сплав и заменитель углеродистой стали. Ковкий чугун привлекает своими высокими эксплуатационными, конструкционными и технологическими свойства, а также зачастую имеет лучшее сочетание этих характеристик.

Ключевая особенность ковкого чугуна – это его применение в производстве как деталей с небольшим весом (например, поршневые кольца), так и крупных элементов с весом до 150т независимо от толщины стенки отливки. Изделия из ковкого чугуна могут также подвергаться необходимой термической и механической обработке.

Хорошим примером использования ковкого чугуна, который заменил стальные изделия — это коленчатые валы для двигателей больших дизельных автомобилей и тракторов. При этом преимуществом чугунного изделия является не только низкая цена (по сравнению со сталью), но и отличные эксплуатационные свойства (гашение вибрации, работа при высоких температурах).

Таблица 3. Чугуны ковкие, их основные свойства и применение

эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках

(хомутов, гаек, вентилей, деталей сельскохозяйственных машин,

глушителей, фланцев, муфт, тормозных деталей, педалей,

умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами.

Из них получают вилки карданных валов, шестерни, червячные колеса,

поршни, подшипники, звенья и ролики конвейерных цепей, втулки,

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.

Виды чугуна по ГОСТ.

Исходя из этого сплав разделяют на:

  • серый;
  • ковкий;
  • высокопрочный;
  • особого назначения.

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.

[box type=”fact”]Форма включений может быть различной: в виде хлопьев, шаров или пластин. Именно на получении первого вида структуры основан метод получения ковкого чугуна.[/box]

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.

Ковкий чугун

Ковкий чугун (malleable iron castings) получают графитизирующим отжигом белого чугуна определенного химического состава, что обеспечивает формирование в процессе отжига компактного графита, который придает ковкому чугуну повышенные механические свойства (предел прочности при растяжении σB, относительное удлинение δ и ударная вязкость αH).

Рекомендуемый химический состав ковкого чугуна характеризуется пониженным содержанием графитизирующих элементов C=2,4-2,9%; Si=1,0-1,6%; C+Si=3,6-4,2%, что обусловлено необходимостью получения отливок из ковкого чугуна в литом состоянии со 100% отбелом по всему сечению отливки, по той простой причине, что при наличии в литой структуре чугуна пластинчатого графита, в процессе последующего проведения отжига будет формироваться пластинчатый графит (т.е. серый чугун), а не компактный, присущий ковкому чугуну.

Принято различать черносердечный ковкий чугун, получаемый графитизирующим отжигом (технология используемая в Украине) и белосердечный ковкий чугун, получаемый обезуглероживающим отжигом в окислительной среде (обычно отливки располагают в контейнерах в перемешку с железной рудой, t=1000-1050°C, τ=60-70 ч). Тонкостенные отливки из белосердечного ковкого чугуна производят во Франции, Германии, Италии и др. странах, основные достоинства такого чугуна — повышенная вязкость и пригодность для проведения сварки без предварительной и последующей термической обработки.

Читайте также  Имитация огня в камине

Термическая обработка

Графитизирующий отжиг является неотъемлемой технологической операцией процесса получения ковкого чугуна. Основное назначение — проведение графитизации, т.е. выделения графита из цементита, при этом протекание процесса возможно по 2-м вариантам: полная графитизация цементита, с получением ферритной металлической матрицы и частичная графитизация первичного и ледебуритного цементита, с получением перлитной или перлито-ферритной металлической матрицы.

Независимо от выбранного варианта, графитизирующий отжиг проводят в две стадии:

Рис. 1: Схема графитизирующего отжига ковкого чугуна

  1. стадия предусматривает: нагрев до температуры 930-1050°C со скоростью 200-300°C/ч; выдержку в течение

10 ч. На данной стадии происходит разложение первичного и ледебуритного цементита, в результате чего образуется аустенитная матрица с включениями хлопьевидного (компактного) графита (см. рис. 1). Затем следует снижение температуры до

760°C (со скоростью 50-65°C/ч), т.е. до температуры немногим выше начала эвтектоидного превращения.
стадия предусматривает медленное охлаждение со скоростью не выше 5°C/ч во всем интервале эвтектоидного превращения, вплоть до

700°C. На данной стадии происходит распад цементита, входящего в перлит. Окончательная микроструктура чугуна зависит от параметров второй стадии: кратковременная выдержка (

5 ч) влечет за собой образование перлитной структуры металлической матрицы с включениями компактного графита, вокруг которых располагается оторочка феррита; длительная выдержка в течение 20-40 ч, ведет к образованию ферритной металлической матрицы с включениями компактного графита, что хорошо показано на рис. 1.

Основной недостаток техпроцесса получения ковкого чугуна — длительный процесс термической обработки, что при нынешних высоких ценах на электроэнергию, ведет к значительным затратам. Для снижения длительности отжига ковкий чугун подвергают модифицированию и микролегированию алюминием (0,01%), бором (0,003%), титаном (0,03%), висмутом (0,003%), что ведет к увеличению в расплаве центров графитизации и снижению стабильности цементита.

Достоинства ковкого чугуна:

  1. Сочетание высоких механических свойств с высокой обрабатываемостью резанием (компактный графит способствует ломкости стружки и является смазывающим материалом)
  2. Однородная структура по всему сечению отливки
  3. Отсутствие внутренних напряжений в отливках
  4. Способность воспринимать высокие знакопеременные нагрузки
  5. Высокая коррозионная стойкость

Ковкий чугун используют для производства мелких тонкостенных отливок (3-50 мм) ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок в автомобилестроении, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении для изготовления коробок передач, деталей приводных механизмов, шасси, рычагов, коленчатых и распределительных валов, деталей сцепления, поршни дизельных двигателей, коромысла клапанов, фитинги и т.д.

Стандарты

Технические характеристики ковкого чугуна для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 1215-79 «Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия».

Маркировка

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, за которыми следуют две цифры, отображающие предел прочности при растяжении σB (в кгс/мм 2 ), а за ними, через дефиз, следует одна или две цифры, отображающие относительное удлинение δ (в %), через дефиз заканчивают маркировку буквы Ф или П, отобраражающие класс чугуна ферритный или перлитный. К примеру, КЧ 37-12-Ф означает — ковкий чугун ферритного класса с пределом прочности на растяжение не ниже — 37 кг/мм 2 и относительным удлинением не ниже — 12%.

Классификация ковкого чугуна

В зависимости от микроструктуры металлической матрицы ковкий чугун подразделяют на ферритный (Ф) и перлитный (П):

  • Ковкий чугун ферритного класса с ферритной или феррито-перлитной микроструктурой металлической матрицы, производят следующих марок: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12
  • Ковкий чугун перлитного класса с перлитной микроструктурой металлической матрицы, производят следующих марок: КЧ 45-7, КЧ 50-5, КЧ 55-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5

Механические свойства

Механические свойства материала отливок из ковкого чугуна ферритного и перлитного классов должны удовлетворять требованиям ГОСТ 1215-79, приведенным в табл. 1.

Таблица 1: Механические свойства ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79

Марка Временное сопротивление
разрыву, МПа, (кгс/мм 2 )
Относительное
удлинение, %
Твердость по
Бринеллю, НВ
не менее
КЧ 30-6 294 (30) 6 100-163
КЧ 33-8 323 (33) 8 100-163
КЧ 35-10 333 (35) 10 100-163
КЧ 37-12 362 (37) 12 110-163
КЧ 45-7 441 (45) 7* 150-207
КЧ 50-5 490 (50) 5* 170-230
КЧ 55-4 539 (55) 4* 192-241
КЧ 60-3 588 (60) 3 200-269
КЧ 65-3 637 (65) 3 212-269
КЧ 70-2 686 (70) 2 241-285
КЧ 80-1,5 784 (80) 1,5 270-320

Примечание: * По согласованию изготовителя с потребителем допускается понижение на 1%.

Химический состав

Рекомендуемый химический состав ковкого чугуна согласно ГОСТ 1215-79, приведен в табл. 2.

Таблица 2: Химический состав ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.