Как получают ковкий чугун

Чугун

Чугун — это сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14%. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.

Виды чугуна:

Белый чугун — в нем весь углерод находится в связанном виде (Fe3C). В зависимости от количества углерода делятся на доэвтектические (2,14-4,3% углерода); эвтектические (4,3% углерода); заэвтектические (4,3-6,67% углерода).

Цементит в изломе — светлый, поэтому такие чугуны назвали светлыми. Белые чугуны применяются в основном для изготовления серых чугунов. Их получают путем отжига.

Серый чугун — это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготавливают детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число—предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно, как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

Половинчатый чугун. В половинчатом чугуне часть углерода (более 2,04%) содержится в виде эвтектического цементита — в структуре наряду с эвтектическим или первичным графитом присутствует ледебурит. Структурные составляющие такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

• передельный чугун — П1, П2;
• передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2,
• передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,
• передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
• чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);
• антифрикционный чугун
  • антифрикционный серый — АЧС,
  • антифрикционный высокопрочный — АЧВ,
  • антифрикционный ковкий — АЧК;

  Виды чугуна	Марка	Цена
  Жароустойччвый хромистый	ЖЧХ-3, 9, 11, 16	Уточняйте у менеджеров
  Зеркальный чугун	Уточняйте у менеджеров
  Литейный чугун	Л1, Л2, Л3, Л4, Л5, Л6	Уточняйте у менеджеров
  Передельный чугун	ПЛ-1, ПЛ-2	Уточняйте у менеджеров
  Серый чугун	СЧ-20, СЧ-30	Уточняйте у менеджеров
  Хромоникелевый чугун	Уточняйте у менеджеров
  Дробь чугунная колотая	ДЧК	Уточняйте у менеджеров
  Дробь чугунная литая	ДЧЛ	Уточняйте у менеджеров

  Наша компания поставляет круги, полосы, плиты, заготовки, чушки, шары из чугуна. По вопросам заказа продукции обращайтесь к нашим менеджерам

  Термическая обработка белого чугуна (получение ковкого чугуна)

  

  Белый чугун в литом виде вследствие своей высокой твердости и хрупкости не находит широкого применения. Изделия из белого чугуна являются исходным продуктом для получения ковкого чугуна с помощью термической обработки.

  Для этой цели используют белый чугун, который содержит 2,5—3,2% С, 0,6—0,9% Si, 0,3—0,4% Мп, 0,1-0,2% Р и 0,06—0,1% S.

  Исходная структура белого чугуна — перлит и ледебурит.

  Структура ледебурита встречается во всех белых чугунах, т.е. в железоуглеродистых сплавах с содержанием углерода более 2%, который присутствует в сплаве в форме цементита.

  Ледебурит при комнатной температуре представляет механическую смесь перлита и цементита.

  Напоминаем, что перлит представляет собой тоже механическую смесь, но феррита и цементита, причем перлит — более мелкая смесь, чем ледебурит.

  Описываемый отжиг на ковкий чугун производят в нейтральной среде (N₂ или Н₂) для защиты от обезуглероживания и окисления, в специально предназначенных для этой цели печах непрерывного действия .

  Детали укладывают на специальные поддоны, которые размещаются на роликовом поду.

  Поддоны проталкиваются с определенной скоростью по роликам. Длина камер нагрева первой и второй стадии отжига назначается с таким расчетом, чтобы детали находились в камерах необходимое для данной температуры время.

  Отжиг на ковкий чугун производится по режиму, показанному на рис. 76.

  

  Первая стадия отжига преследует цель разложения цементита, входящего в состав ледебурита; в перлите цементит сохраняется.

  Вторая стадия отжига преследует цель разложения цементита, входящего в состав перлита.

  В результате прохождения только одной стадии отжига получают ковкий чугун со структурой перлит+феррит+углерод отжига.

  Такой чугун называют перлитным (перлитно-ферритным, рис. 77, а).

  

  Он обладает хорошими прочностными свойствами, но невысокой пластичностью. Чугун с такой структурой используется в деталях, работающих на изгиб и трение.

  Для повышения прочности чугун можно подвергать закалке и высокому отпуску, что улучшает его механические свойства.

  После полного цикла отжига структура чугуна состоит из феррита и углерода отжига, т.е. образуется ферритный ковкий чугун (рис. 77, б).

  Из ковкого чугуна изготовляют мелкие детали сложной формы, которые трудно обработать резанием.

  Такие детали хорошо отливаются из белого чугуна, а последующая термическая обработка обеспечивает им хорошие пластические и прочностные свойства.

  Применяют и другой способ получения ковкого чугуна.

  Нагрев изделий производится в окислительной среде, вследствие чего происходит выгорание углерода с поверхности, вызывающее снижение твердости и некоторое повышение пластических свойств, а также улучшение обрабатываемости.

  В центре такой чугун сохраняет структуру белого чугуна. Полученный этим методом чугун называют белосердечным в отличие от черносердечного, получаемого при отжиге в нейтральной среде по вышеописанному способу.

  При таком способе детали из белого чугуна загружают в ящики, пересыпают окалиной или рудой и нагревают в обычных камерных печах.

  Отжиг ковкого чугуна является весьма длительной операцией. В настоящее время разработано много способов ускоренного отжига ковкого чугуна — предварительная закалка, отжиг в расплавленных солях при очень высоких температурах 1050—1100° и др.

  Получение ковкого чугуна

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

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

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

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

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

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

  

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  Как получают ковкий чугун

  Таблица 2. Механические показатели некоторых ковких чугунов
  
  Ковкий чугун идет на изготовление деталей повышенной прочности и вязкости: картеров, редукторов, коробок передач, кронштейнов рессор и др.

  Оглавление книги открыть закрыть

  Материалы, применяемые в машиностроении
  Углеродистые стали
  Углеродистые стали обыкновенного качества
  Качественные углеродистые стали
  Инструментальные углеродистые стали
  Чугуны: классификация и свойства
  Ковкий чугун
  Высокопрочный чугун
  Антифрикционные чугуны
  Легированные стали: свойства и классификация
  Конструкционные легированные стали
  Инструментальные легированные стали
  Стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, шарикоподшипниковые, пружинные, автоматные
  Электротехнические стали и сплавы
  Порошковые материалы
  Сплавы цветных металлов
  Медь и ее сплавы
  Алюминий и его сплавы
  Антифрикционные сплавы
  Композиционные материалы
  Композиционные материалы с металлической матрицей
  Материалы с неметаллической матрицей
  Конструкционные материалы на органической основе
  Пластмассы: состав, свойства и классификация
  Резины: состав, свойства и виды
  Конструкционные материалы на неорганической основе
  Неорганическое стекло: свойства и классификация
  Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы
  Ситаллы: получение и свойства
  Керамические материалы: свойства и виды
  Графит и его свойства
  Защитные материалы и их виды

  « назад Оглавление вперед »
  Чугуны: классификация и свойства &#0171 | &#0187 Высокопрочный чугун

  Изучение видов, особенностей производства, характеристик стали (углеродистая, легированная) и чугуна (белый, серый, ковкий, высокопрочный, половинчатый), определение влияния на их свойства разных химических элементов. Описание устройства доменной печи.

  Ковкий чугун: маркировка по ГОСТ, свойства и применение

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

  

  Особенности производства

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

  Технология отжига включает 5 стадий:

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

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

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

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

  Разновидности ковкого чугуна

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

  

  Ферритный класс чугуна

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

  Ферритно-перлитный чугун

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

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

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

  Перлитный класс чугуна

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

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

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

  Свойства ковкого чугуна

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

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

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

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

  • отношение предела текучести к пределу прочности выше, чем у стали, достигает 0,6-0,8 у перлитного сплава;
  • рассматриваемый сплав перлитного класса превосходит серый чугун и даже высокопрочные конструкционные стали по твёрдости и прочности (630 Н/мм2);
  • ферритный ковкий сплав по значению относительного удлинения превосходит этот показатель у серого чугуна в 10 раз, что говорит о его высокой пластичности.

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

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

  Маркировка ковкого чугуна

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

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

  голоса

  Рейтинг статьи
  Читайте так же:

  Как из ручного фрезера сделать стационарный