Ковкий чугун в насосном оборудовании и других сферах

Ковкий чугун в насосном оборудовании и других сферах

В 1949 году американские инженеры-металлурги получили патент на изготовление ковкого чугуна с помощью обработки магнием. Популярность этого типа черного металла возросла в 50–60-х годах прошлого века благодаря его многочисленным полезным характеристикам. Ковкий чугун отличается высокой прочностью, гибкостью, долговечностью и эластичностью благодаря своей уникальной микроструктуре. Литой ковкий чугун обычно содержит более трех процентов углерода. Его можно изгибать или скручивать без деформации. Механические свойства ковкого чугуна аналогичны свойствам стали и намного превосходят характеристики стандартных видов чугуна.

Особенности и свойства ковкого чугуна

В основе ковкого чугуна, как впрочем и серого, лежит стальная основа с добавлением углерода в виде графита. Однако в случае с ковким вариантом графит представлен в хлопьеобразной форме, что позволяет добиться большей пластичности и вязкости материала.

Ковкий чугун в составе технологического оборудования повышает безопасность и надежность всего производственного процесса. Ковкий чугун демонстрирует отличные показатели сопротивления разрушению от физической нагрузки, а также устойчивость к механическим и термическим ударам, намного превышающую устойчивость серого чугуна. Коррозионная стойкость ковкого чугуна равна или превосходит показатели серого чугуна и литой стали во многих коррозионных средах. Его износостойкость сопоставима с характеристиками некоторых из лучших сортов стали и превосходит показатели серого чугуна в условиях высоких или ударных нагрузок.

Стоимость ковкого чугуна обычно значительно дешевле литой стали и лишь немного дороже серого чугуна, поскольку для отливки обоих видов чугуна используются одни и те же методы, а существенные преимущества, полученные за счет высокого предела текучести и пластичности, серьезно снижают себестоимость конечного продукта из ковкого чугуна. Поэтому он так популярен во многих областях промышленности.

Наличие графитовых вкраплений дает дополнительные преимущества. Шум и вибрация снижаются благодаря демпфирующим свойствам графита, что является ключевым фактором при применении в зубчатых передачах. Также повышается износостойкость. Ковкий чугун менее плотный, чем сталь, и те же детали, сделанные из ковкого чугуна, будут весить на 10 процентов меньше, чем если бы они были сделаны из стали.

Предел прочности при растяжении, не менее, МПа

Относительное удлинение через 50 мм, мин. %

Плотность, г/см 3

Температура плавления, 0 C

Предел прочности при сжатии, МПа

Максимальная рабочая температура, 0 C

Устойчивость к органическим растворителям

Устойчивость к слабым кислотам

Применение ковкого чугуна

Напорные трубы и фитинги

Там, где нужны прочные, износостойкие металлы, не обойтись без чугуна с пластичным покрытием. При производстве труб ковкий чугун конкурирует с ПВХ, поскольку полимерные материалы такого типа, хотя и легче стали или ковкого чугуна, но мягче и слабее и требуют большей защиты от физических повреждений.

Автомобильная промышленность

Автомобильная промышленность — вторая по величине область применения литья из ковкого чугуна. Этот материал используется в автомобилях преимущественно в деталях двигателя, шестернях и втулках, подвеске, тормозах и рулевом управлении. Большинство производителей автомобилей во всем мире отдают предпочтение коленчатым валам из ковкого чугуна, а не из кованой стали.

Сельское хозяйство, дороги и строительство

Общие технические варианты применения

Станкостроительная промышленность использует технические преимущества ковкого чугуна для проектирования сложных деталей машин. Ковкий чугун имеет высокий предел прочности на растяжение и предел текучести, а также хорошие механические свойства обработки, что позволяет производить более легкие отливки с хорошей жесткостью. Прочность и ударная вязкость ковкого чугуна позволяет широко использовать его при производстве всех видов ручных инструментов, таких как гаечные ключи, зажимы, измерительные инструменты. В бумажной промышленности используется ковкий чугун с высоким модулем упругости, что позволяет уменьшить вес сушильного барабана. Ковкий чугун применяют даже для таких вещей, как фортепианные колки, которые удерживают струны.

Ковкий чугун в насосном оборудовании

Выбор материалов — важный этап на пути создания эффективного насосного оборудования, и их первоначальная стоимость обычно является одним из решающих мотивов. Другие факторы, которые следует учитывать при выборе материалов для смачиваемых частей насоса, — ожидаемый срок службы агрегата, периодический или непрерывный режим работы, перекачка опасных или токсичных жидкостей, состояние жидкости, возможности всасывания и условия эксплуатации.

Благодаря своей хорошей термостойкости, коррозионной стойкости, механической прочности при высоких температурах, ударопрочности ковкий чугун лучше всего подходит для центробежных насосов и агрегатов для откачки сточных вод. Из этого материала обычно изготавливают такие части насосов, как подшипники, крышки подшипников, рамы, корпуса.

Мы предлагаем нашим клиентам только проверенное временем и отличным пользовательским опытом оборудование. Поэтому в каталоге «ТЕХНО-ГРУПП» вы найдете насосы, производители которых оценили все преимущества ковкого чугуна и выбирают этот материал для своего оборудования.

Так, ковкий чугун используется в погружных канализационных насосах серии Amarex N немецкого концерна KSB, который занимает одну из ключевых позиций на рынке оборудования для систем водоснабжения, водоотведения, отопления и сопутствующих отраслей.

Конечно же, Wilden (член корпорации PSG Dover), как и всегда, выбирает самое лучшее для производства своего оборудования. В диафрагменных насосах AODD этой компании корпуса нередко изготовлены из ковкого чугуна. Такие насосы надежно предотвращают утечки, дешевле, чем аналогичное оборудование из нержавеющей стали, и незаменимы в тех случаях, когда использование пластиковых агрегатов невозможно.

В самовсасывающих центробежных насосах Griswold (производитель — также член корпорации PSG Dover) серии Н корпус насоса изготовлен из ковкого чугуна, а также нержавеющей стали или сплава Alloy-20. Эти насосы предназначены для осушения барж и цистерн, обезвоживания шахт или подземных хранилищ, орошения сельскохозяйственных земель, противопожарной защиты, бассейнов, любых сфер, где требуются большие потоки и высокий напор.

Если вы хотите заказать насос из ковкого чугуна или получить консультацию по любым возникшим вопросам, наши специалисты всегда готовы помочь.

Москва,
проспект Андропова, 22, оф. 1815
Санкт-Петербург,
Новочеркасский пр-т, 58, оф. 511

2.1.2. Графитизированные чугуны.

В отличие от белых чугунов, в графитизированных (литейных) чугунах цементит (первичный, вторичный, третичный и цементит ледебурита), а также частично или полностью цементит перлита графитизирован по схеме Fe₃C → 3 Fe + Г(графит), т.е. углерод находится частично или полностью (за исключением растворенного) в свободном состоянии в виде графита (Рисунок 4).

В зависимости от скорости охлаждения, при отжиге получают ферритный, ферритно-перлитный или перлитный чугуны в соответствии с заданной основой чугуна (ферритная, феррито-перлитная или перлитная сталь). При этом вид чугуна зависит от формы зерен графита. По форме графита различают: серые, ковкие и высокопрочные чугуны

Серые чугуны получают непосредственно при отливке из литейных белых чугунов. Однако охлаждение серого чугуна ведется медленно, и цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, будучи неустойчивым химическим соединением, в особенности при высоких температурах, распадается с образованием графита (см. рис. 4).

При температуре 1152 ˚ С в заэвтекических чугунах

В диапазоне 1147 — 1738˚с при медленном охлаждении доэвтектических чугунов и выдержке при 738°с по этой же реакции распадается вторичный цементит и цементитная основа ледебурита

При быстром охлаждении после выдержки с этой точки получим перлитную основу чугуна.

При температуре несколько ниже 727 0 распадается цементит перлита

Fe₃C → Fe _α(C) + С (графит) = Ф + Г

Схема микроструктуры графитизированных литейных чугунов

В зависимости от выдержки получают феррито-перлитную заданного количественного соотношения или ферритную основу чугуна (см. Рисунок 5, 7-а).

При температуре ниже линии PS графит выделяется в виде пластин. Чем меньше скорость охлаждения, или чем дольше выдержка при постоянной температуре, тем в большей степени успевает произойти процесс графитизации вплоть до полного разложения соответствующей структурной составляющей цементита. Обычно весь самостоятельный цементит (первичный или вторичный) подвергают разложению. Однако иногда, в так называемых «половинчатых» чугунах, сохраняют частично ледебурит для повышения их твердости.

Чем выше температура и содержание углерода в чугуне, тем степень распада цементита обычно бывает больше. Графитизации чугуна способствуют элементы: Si, Al, Ni, Cu.

На шлифе перлитного чугуна темные крупные пластинки – графит. (см. рисунок 7).

Основное поле – пластинчатый перлит. Цементит вторичный и цементит ледебурита распался. Перлитный чугун применяется, например для изготовления поршневых колец тепловых двигателей.

Структура перлитно-ферритного серого чугуна включает темные завихрения пластинки – графит. Графит и феррит залегают вместе, т.к. они являются продуктами распада цементита.

В структуре ферритного серого чугуна темные крупные пластинки – графит; основное светлое пятно – феррит. Цементит полностью распался (см. рисунок 7-а).

По вопросу об образовании структур чугуна существует теория, что при очень медленном охлаждении графит и графитная эвтектика могут выделяться прямо из жидкости, а не всегда получаются в результате распада цементита.

Исходя из этой теории, при изучении микроструктуры серых чугунов следует наряду с диаграммой состояния железо-цементит пользоваться и диаграммой состояния железо-графит, изображенной на рис. 1 пунктирной линией. При средних скоростях охлаждения часть сплава может закристаллизоваться в соответствии с графитной, а часть – с цементитной (сплошные линии) системой (половинчатые чугуны).

Ковкий чугун получается из белого чугуна путем вторичной тепловой обработки, т.е. отжига. Графит при отжиге выделяется не в виде изогнутых пластинок, как в сером чугуне, а в виде хлопьев и называется графитом отжига (см. рис. 7-б).

В зависимости от режима охлаждения при отжиге получают ковкий ферритный, ферритно-перлитный и перлитный чугуны. Нужную структуру получают длительным отжигом специально выплавленного в электропечах белого чугуна (рис. 6).

Структура ферритного ковкого чугуна: основной светлый фон – зерна феррита, темные включения хлопьевидной формы – графит отжига.

Основная структура перлитного ковкого чугуна – перлитная. Темные хлопьевидные включения – графит.

Благодаря хлопьевидной форме графита ковкий чугун имеет более высокие механические свойства, прежде всего пластичность.

Высокопрочный чугун, в котором графитные включения имеют шарообразную форму, а структура металлической основы представляет собой феррит, или перлит и феррит, или перлит (см. рис. 7-в). Такой чугун получают модифицированием с помощью магния или церия жидкого белого литейного чугуна. Указанные модификаторы способствуют получению округлой формы графита.

Шаровидная форма графита в меньшей степени нарушает сплошность металлической основы (особенно по сравнению с графитом пластинчатой формы). Прочностные и особенно пластические свойства этих чугунов наиболее высоки и: приближаются к углеродистым конструкционным сталям, после термической обработки. При этом, высокопрочные чугуны имеют более высокие литейные свойства, чем стали.

В перлитных ковких и высокопрочных чугунах зерна графита окружены светлой оболочкой мягкого, пластичного феррита – обезуглероженной до феррита приграничной зоны. Такая оболочка обеспечивает при высокопрочной перлитной основе высокую пластичность. В высокопрочном чугуне такая форма и расцветка графитного включения похожа на глаз. Поэтому, такую структуру называют «бычий глаз» (см. рис. 6-в).

Графит в ковких чугунах имеет

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит, в отличие от пластинчатого, меньше снижает механические свойства металлической основы, вследствие чего ковкий чугун по сравнению с серым обладает более высокой прочностью и пластичностью.

Отливки из белого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкий чугун, изготовляют тонкостенными. Они не должны иметь сечение более 50 мм, иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит, чугун становится непригодным для отжига. По этой же причине исходные белые чугуны имеют пониженное содержание углерода и кремния. Их химический состав находится в пределах: до и до 0,18% Р.

По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными (рис. 9.4). Отжиг на ферритные чугуны проводят по режиму 1 (рис. 9.5), обеспечивающему графитизацию всех видов цементита белого

Рис. 9.4. Микроструктуры ковких чугунов, х 300: а — ферритного; б — перлитного

Рис. 9.5. Схема отжига белого чугуна на ковкий

чугуна. Отливки из такого чугуна загружают в специальные ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно (20-25 ч) нагревают до температуры несколько ниже эвтектической — 950- 1000 °С. В процессе продолжительной (10-15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита (имеющегося в небольшом количестве при этой температуре). К концу первой стадии графитизации чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига. Затем температуру медленно снижают. При этом происходит промежуточная стадия графитизации распад выделяющегося вторичного цементита. Вторая стадия графитизации протекает или при весьма медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур, или при длительной выдержке (25-30 ч) несколько ниже температуры эвтектоидного превращения (720-740 °С). В процессе этой выдержки распадается цементит перлита. В результате такого отжига продолжительностью 70-80 ч весь углерод выделяется в свободном состоянии и формируется структура, состоящая из феррита и углерода отжига.

Перлитный ковкий чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 9.5). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до температуры 20 °С. Поскольку графитизация цементита перлита практически не происходит, чугун приобретает структуру, состоящую из перлита и углерода отжига. Отсутствие литейных напряжений, которые полностью снимаются во время отжига, компактная форма и изолированность графитных включений обусловливают высокие механические свойства ковких чугунов. Принцип их маркировки тот же, что и высокопрочных чугунов: (см. табл. 9.1). Из таблицы видно, что ферритные чугуны имеют более высокую пластичность, а перлитные — более высокие прочность и твердость.

Ковкие чугуны нашли широкое применение в сельскохозяйственном, автомобильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно- и дизелестроении. Из них изготовляют детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок; хорошие литейные свойства исходного белого чугуна отливки сложной формы.

Недостаток ковких чугунов — повышенная стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.

Серые, ковкие и высокопрочные и чугуны

В промышленности широко применяются чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в виде графита: серые, высокопрочные, ковкие чугуны. Наличие графита в них обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием и высокие антифрикционные свойства благодаря низкому коэффициенту трения. Вместе с тем включения графита, нарушающие сплошность металлической основы сплава, вызывают снижение прочности и пластичности, особенно, при растягивающих нагрузках. Образование графита в чугунах происходит в соответствии с диаграммой состояния железо-графит (рис.2.9).

Рис. 2.9. Диаграмма состояния железо-графит

Выделение графита может происходить непосредственно из жидкости по линии С ¢ D ¢ , из аустенита по линии EСF или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита. Процесс образования графита называется графитизацией.

Графитизации способствует повышенное содержание углерода и кремния (C + Si = 5-7 %), а также медленное охлаждение. Различие структур серых, высокопрочных и ковких чугунов заключается в форме графитных включений. В сером чугуне графит имеет пластинчатую форму (в разрезе в виде прожилок), в высокопрочном чугуне – шаровидную форму, в ковком – хлопьевидную форму (рис.2.10).

Происхождение графита по микроструктуре (доэвтектический, эвтектический, заэвтектический) различить невозможно. Поэтому принято классифицировать данные чугуны по структуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации.

Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью (А® Ф +Г), то металлическая основа чугуна – ферритная. При неполной графитизации частично образуется цементит ( А® П+Г), металлическая основа – перлитная. Возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается на феррит и цементит. В этом случае основа ферритно-перлитная (А® Ф+П+Г). Огромное влияние на свойства оказывает форма графитных включений.

Рис.2.10. Основные формы графитных включений в чугуне:

а – пластинчатая (серый чугун); б – шаровидная (высокопрочный чугун);

в – хлопьевидная (ковкий чугун)

Пластинчатая форма графитных включений особенно сильно снижает пластичность и предел прочности чугуна при растяжении; по мере округления графитных включений (хлопьевидная, шаровидная формы) отрицательное влияние их уменьшается.

Степень разупрочняющего и охрупчивающего действия графита определяется конфигурацией его включений в чугуне (табл.2.2).

Зависимость пластичности чугуна от формы графита

Структура серых, ковких и высокопрочных чугунов состоит из металлической основы и графита; свойства чугуна будут зависеть от свойств металлической основы, количества, размеров и формы графитных включений.

Серый чугун – чугун, в котором углерод находится в виде графита преимущественно в форме изогнутых пластин или разветвленных розеток с пластинчатыми лепестками.Он обладает низкой вязкостью и пластичностью и не выдерживает динамических нагрузок.

Серые чугуны содержат помимо углерода (3,2-3,8 % С) и железа специально вводимые элементы, способствующие графитизации (выделению углерода в виде графита), основным из которых является кремний (1-5 % Si). Степень графитизации возрастает при увеличении содержания углерода и наличия меди и никеля, которые попадают из руды. Сера, марганец и хром являются элементами, затрудняющими графитизацию (отбеливающими). Отливки из серого чугуна получают в земляных или металлических формах. Структура отливок (количество графита и основы) зависит от скорости охлаждения, определяемой как методом литья, так и в большей степени толщиной стенки отливки (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Структурная диаграмма чугунов: а – влияние углерода и кремния на структуру чугуна; б –влияние скорости охлаждения ( толщины стенки) и суммы С + Si на структуру чугуна; I – белые чугуны; II – V – серые чугуны

Включения графита в серых чугунах можно рассматривать как трещины и даже как пустоты, так как графит обладает очень низкими механическими свойствами. Механические свойства понижаются тем больше, чем крупнее графитные включения и чем больше их в единице объема.

Серые чугуны маркируются буквами СЧ и числом соответствующий пределу прочности при растяжении (например, СЧ 20; σ_В =20кгс/мм 2 ).

По структуре металлической основы серые чугуны делятся на три вида: перлитный (структура перлит + графит), феррито-перлитный (структура феррит + перлит + графит), ферритный (структура феррит + графит) (рис.2.12).

Механические свойства серого чугуна (табл.2.3) зависят от свойств металлической основы, которая по строению и свойствам близка стали, а также от формы и размера графитовых включений.

Графит имеет очень низкую прочность, поэтому полости, занятые им, действуют как надрезы и трещины в металлической основе чугуна и значительно снижают его прочность и пластичность. Относительное удлинение серых чугунов при растяжении не превышает 0,5 %. Чем больше графита и крупнее его включения, тем ниже механические свойства. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования.

а б в

Рис. 2.12. Микроструктура серого чугуна: а – ферритный, б – феррито-перлитный, в – перлитный; (x500), травление 4 %-ным спиртовым раствором азотной кислоты)

Серые чугуны используются для деталей, не испытывающих ударных нагрузок и работающих на сжатие и изгиб. Они поглощают вибрацию. К основным характеристикам серого чугуна относится предел прочности при растяжении, определяющий его марку (СЧ20, предел прочности σ_В =20 кгс/мм 2 ).

Механические свойства и химический состав серых чугунов

Из серого чугуна изготовляют три марки антифрикционных чугунов (АСЧ1, АСЧ2, АСЧ3). Антифрикционные свойства и назначение (табл. 2.6) определяются соотношением перлита и феррита в основе, количеством и формой графита.

Высокопрочный чугун – чугун, в котором графит имеет шаровидную форму (рис. 2.10,б). Его получают путем модифицирования в ковше жидкого чугуна, не отличающегося по составу от серого (3,0-3,6 % С; 2,0-3,1 % Si), церием или магнием (0,03-0,07 %) или магниевой лигатурой (20 % Mg + 80 % Ni).

По структуре высокопрочный чугун разделяют на ферритный и перлитный (рис. 2.13).

Рис.2.13. Структура высокопрочного чугуна: а – ферритный, б – перлитный (x100;травление 4 % -ным спиртовым раствором азотной кислоты)

Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу (по сравнению с пластинчатой). Прочностные свойства этих чугунов наиболее высокие. Высокопрочные чугуны не уступают в прочности углеродистым конструкционным сталям, подвергаемым термической обработке. Пластичность этих чугунов удовлетворительная, но несколько уступает стали.

Для повышения механических свойств высокопрочные чугуны нередко подвергают термической обработке. Высокопрочные чугуны обозначаются (маркируются) буквами ВЧ и числом, показывающим предел прочности s_В. Высокопрочные чугуны широко применяются в автостроении и дизелестроении: коленчатые валы, крышки цилиндров и др.; в прокатных станах – прокатные валки и др.; в химической и нефтяной промышленности – корпуса насосов, вентили и т.п.

Механические свойства и назначение высокопрочных чугунов приведены в таблице 2.4.

Механические свойства высокопрочных чугунов

Из высокопрочного чугуна изготовляют две марки антифрикционных чугунов (АЧВ-1 и АЧВ-2) для деталей, работающих в узлах трения при повышенных и высоких давлениях (табл.2.6).

Ковкий чугун имеет в структуре графит хлопьевидной формы (рис. 2.14) и в связи с этим характеризуется высокой пластичностью.

а б

Рис. 2.14. Структура ковкого чугуна: а – ферритный; б – перлитный (x200; травление 4 % — ным спиртовым раствором азотной кислоты)

Детали из ковкого чугуна получают из отливок белого доэвтектического чугуна (2,4-3,4 % С) путем длительного отжига – томления, поэтому графит ковких чугунов носит название углерод отжига. Отливки должны быть сравнительно небольшими (толщина сечения не должна превышать 40-50 мм), чтобы исключить графитизацию сердцевины при медленном охлаждении массивной детали.

По структуре металлической основы ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отливки из белого чугуна, предназначенные для отжига на ковкий чугун, упаковывают в специальные ящики. Первый этап отжига при температуре 950…970 °С обеспечивает распад цементита, входящего в состав ледебурита, и получение перлитного ковкого чугуна. Получение ферритного ковкого чугуна обеспечивается последующим понижением температуры до 720…740 °С и длительной выдержкой в указанных условиях, во время которой происходит распад цементита перлита с образованием феррита и графита (рис.2.15).

Рис. 2.15. Схема отжига белого чугуна на ковкий,

ферритный и перлитный чугуны

Процесс протекает очень медленно (до 100 часов) и зависит от структуры отливки и ряда технологических факторов. Для ускорения отжига часто чугун модифицируют (алюминием, бором и т.п.), что позволяет сократить время отжига на ферритный ковкий чугун до 24-60 часов.

Ковкие чугуны обозначаются символом КЧ, после которого указывается предел прочности s_в и относительное удлинение d : КЧ55-4.

Внутренние напряжение в ковком чугуне полностью снимаются во время отжига.

Механические свойства и химический состав ковких чугунов

Механические свойства чугуна снижаются тем больше, чем крупнее графитные включения и чем больше их на единицу площади. В некоторых узлах трения, испытывающих динамические нагрузки, нашел применение антифрикционный ковкий чугун марок АЧК-1 и АЧК-2 (табл.2.6).

Марки, химический состав и назначение антифрикционных чугунов

Легированный чугун

Дата добавления: 2017-04-05 ; просмотров: 7680 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ