Основные свойства и структура ковкого чугуна

Содержание

1. Основные свойства и структура ковкого чугуна....................................... 3

2. Получение ковкого чугуна .......................................................................... 6

3. Применение ковкого  чугуна......................................................................... 9

4. Литература...................................................................................................... 11

 

Получение, структура ковких чугунов.

 

1. Основные свойства  и структура ковкого чугуна

Основной особенностью микроструктуры ковкого чугуна (КЧ), определяющей его  свойства, является наличие компактных включений графита, что придает  чугуну высокую прочность и пластичность. Обезуглероженный КЧ является единственным конструкционным чугуном, который  хорошо сваривается и может быть использован для получения сварнолитых  конструкций. Детали можно соединять  дуговой сваркой в среде защитного  газа и стыковой сваркой с оплавлением. Ковкий чугун хорошо поддается запрессовке, расчеканке и легко заполняет  зазоры. Отливки из ферритного КЧ можно  подвергать холодной правке, а из перлитного – правке в горячем состоянии.

Применяемый в промышленности ковкий чугун получается в результате графитизирующего отжига белого чугуна. Матрица ковкого чугуна может  быть как ферритной, так и перлитной. Основные преимущества ковкого чугуна заключаются в однородности его  свойств по сечению, практическом отсутствии напряжений в отливках, высоких механических свойствах и очень хорошей  обрабатываемости резанием.

Механические свойства ковкого  чугуна регламентируются ГОСТ 1215-79 (табл.1.14). В основу маркировки и стандартизации ковкого чугуна положен принцип  регламентирования допустимых значений механических свойств при растяжении  _В и  . Так же, как в сером и высокопрочном, в ковком чугуне твердость зависит главным образом от матрицы, а прочность и пластичность - от матрицы и графита.

В отличие от чугуна с  шаровидным графитом, большое влияние  оказывает не только форма, но и количество графита. В связи с этим максимальной прочности можно достичь при  дисперсном перлите и малом количестве наиболее компактного графита, а  наибольшей пластичности - при феррите  и таком же графите.

Таблица 1.14 - Механические свойства ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79

Кроме свойств, обусловленных  ГОСТом, в некоторых случаях представляют интерес и другие свойства, приведенные  в табл.1.15-1.17.

Таблица 1.15 – Механические свойства ковкого чугуна при растяжении и сжатии (не вошедшие в ГОСТ 1215-79)

Влияние химического состава  на механические свойства ковкого чугуна проявляется в изменении структуры  металла и степени легированности феррита и перлита.

Таблица 1.16 – Механические свойства ковкого чугуна при изгибе (не вошедшие в ГОСТ 1215-79)

Таблица 1.17 – Механические свойства ковкого чугуна при кручении и срезе (не вошедшие в ГОСТ 1215-79)

Углерод в ковком чугуне является главным элементом, изменение  содержания которого непосредственно  определяет механические свойства. Чем  выше марка ковкого чугуна, тем  ниже должно быть содержание углерода, так как при этом не только уменьшаются  количество графита и его размеры, но и улучшается его форма.

Основные физические свойства ковкого чугуна различных типов  приведены в табл.1.18.

Таблица 1.18 - Физические свойства ковкого чугуна

Влияние кремния на свойства ковкого чугуна в целом подобно  рассмотренному выше его влиянию  на свойства чугуна с шаровидным графитом. Повышение содержания кремния в  допускаемых пределах увеличивает  предел прочности и твердость  и понижает коэффициент температурного расширения вследствие легирования  феррита.

Марганец сверх количества, необходимого для связывания серы, оказывая тормозящее влияние на графитизацию и легируя феррит, снижает пластичность ковкого чугуна и повышает при  этом прочность и твердость.

Сера, способствуя перлитизации структуры, повышает прочность и  твердость ковкого чугуна. В КЧ сера, препятствуя ферритизации структуры, улучшает форму графита. Более совершенная  форма графита при повышенном содержании серы делает перлитный ковкий чугун с отношением серы к марганцу в пределах 1,0-2,0 благоприятным конструкционным  материалом.

Допустимое содержание фосфора  в ковком чугуне обычно принимается  до 0,12%. При повышении содержания фосфора в ковком чугуне механические свойства изменяются подобно механическим свойствам чугуна с шаровидным графитом. Понижение содержания фосфора вызывает смещение порога хрупкости ковкого  чугуна в сторону отрицательных  температур.

Действие большинства  легирующих элементов на механические свойства ковкого чугуна в целом  подобно рассмотренному ранее легированию  серого чугуна. При этом следует, конечно же, иметь в виду, что технология производства ковкого чугуна предусматривает отжиг.

2. ПОЛУЧЕНИЕ КОВКОГО ЧУГУНА

Белый чугун в литом  виде вследствие своей высокой твердости ихрупкости не находит широкого применения. Изделия из белого чугунаявляются 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.

 

1. Первая стадия отжига преследует цель разложения цементита, входящего в состав ледебурита; в перлите цементит сохраняется.
2. 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).

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.

Все эти мероприятия сокращают  длительность отжига на ковкий чугун.

 

 

При плавке в вагранках обычно получают серый чугун, содержащий более 3% углерода. Поэтому чугун с более низким содержанием углерода обычно получают последовательной плавкой в двух печах: вагранке и электропечи.

Шихтовые материалы сначала расплавляют в вагранке, а получаемый из нее расплав сливают в электрическую дуговую печь, где он дополнительно разогревается и доводится до требуемого химического состава. Таким путем удается получить чугун с более низким содержанием углерода и кремния.

На рис. 110 показана схема  трехфазной дуговой электропечи  для получения ковкого чугуна. Через свод в полость печи входят три графитовых электрода 1, которым  подводится от трансформатора трехфазный электрический ток. Между электродами и ванной расплава образуется электрическая дуга, служащая источником тепла.

Рис. 110. Схема трехфазной дуговой электропечи

Подина печи 4 опирается  на специальное устройство, благодаря  чему печь может поворачиваться для  слива расплава в разливочные  ковши. Свод печи 2 съемный, что облегчает  ее ремонт. Движение электрода вверх  и вниз осуществляется автоматически  в зависимости от электросопротивления дуги. При увеличении расстояния от поверхности расплава до конца электрода  сопротивление дуги увеличивается  и привод опускает электрод; при  уменьшении сопротивления дуги электрод поднимается.

Процесс доводки расплава по химическому составу в такой  печи протекает непрерывно. Расплав  из вагранки заливается в печь через  заливочное окно 3 и после доводки  химического состава его сливают  в ковши через окно 5 для транспортировки  к местам заливки литейных форм. Полученные отливки подвергаются отжигу и называются отливками из ковкого  чугуна.

3. Применение ковкого  чугуна.

Отливки из ковкого чугуна широко используются во многих отраслях промышленности для широкого спектра  номенклатуры деталей ответственного назначения: автомобилестроение, тракторное и сельскохозяйственной машиностроение, вагоностроение, судостроение, электропромышленность, станкостроение, санитарно-техническое  и строительное оборудование, тяжелое  машиностроение и пр. При этом масса  отливок может быть от нескольких граммов до 250 кг, минимальная толщина стенок отливки 3 мм, максимальная для обезуглероженного чугуна 25 мм, для графитизированного 60 мм, а в отдельных случаях до 100 мм. Можно с уверенностью утверждать, что, обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и ЧШГ, высоким сопротивлением ударным нагрузкам при комнатной и низких температурах, износостойкостью, лучшей, чем ЧШГ, обрабатываемостью резанием и свариваемостью, КЧ сохранит в ближайшие годы свое применение, особенно для мелких отливок, сварных конструкций, несмотря на склонность к образованию трещин и энергоемкость получения готовых отливок.

 Отливки из ковкого  чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы. Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1.   Технология металлов и конструирование материалы. В.М. Никифоров, Москва, 1968, Изд. “Высшая школа”.

2.   Материаловедение. А.Е. Лейкин, Б.И. Родин, Москва, 1971, Изд. “Высшая школа”.

3. Материалы с сайта http://metallicheckiy-portal.ru - Центральный металлический портал РФ