Разновидности ковкого чугуна
В зависимости от процесса производства ковкий чугун бывает ферритным и перлитным. В первом случае изготовление осуществляется в нейтральной среде. Такой материал отличается ферритной структурой с остаточным углеродом отжига.
В состав сплава до термообработки входит 2,2-2,99 процента углерода, а также добавки других элементов, содержание которых не превышает одного процента. Уменьшение концентрации «С» сопровождается увеличением прочностных характеристик материала. Однако его литейные свойства снижаются.
Данный материал широко применяется при изготовлении деталей для машин и сельхоз техники, где необходима стойкость к постоянным нагрузкам и напряжениям.
Термообработка изделий в окислительной среде приводит к формированию белосердечного или перлитного чугуна. Данный сплав отличается другими концентрациями углерода до отжига – 2,8-3,3 процента. После термического воздействия количество углерода падает до 0,6-2,2%.
Данный сплав отличается более низкими пластическими свойствами. В связи с этим его используют в задачах, не требующих стойкости к серьезным пластическим и химическим нагрузкам.
Общепринятая маркировка металла
Согласно с рекомендациями ГОСТ 1215–79, маркировка ковкого чугуна включает в себя первые буквы его наименования – КЧ. Прописанное число, состоящее из двух цифр, отображает показатель временного сопротивления или предел стойкости к деформации и разрушению, измеряемый в 10 МПа – КЧ 70. Цифра, прописанная через дефис, отражает величину пластической деформации во время растяжения с единицей измерения «%» (относительное удлинения) – КЧ70-2.
Вдобавок к этому, марки ковких сплавов классифицируются в зависимости от их структур. К ферритному и ферритно-перлитному классу относятся КЧ с относительно низкими пределами стойкости к разрушениям и более высокими процентами относительного удлинения. Сплавы с перлитовой структурой представлены с высокими значениями временного сопротивления и со сравнительно низкими показателями относительного удлинения.
По данным ГОСТ 26358, можно определить такие свойства марок ковкого чугуна, как:
- временное сопротивление разрыву;
- твёрдость по Бринеллю (НВ);
- относительное удлинение.
Действие добавок на свойства чугунов
Если говорить о углероде в составе чугуна, то его относительное массовое повышение в составе сплава положительно влияет на текучесть раскалённого жидкого сплава. Вместе с этим, при выделении углерода в виде графита в структуре сплава объём вылитой заготовки увеличивается, что частично компенсирует усадку после полной кристаллизации. Таким образом, углерод положительно влияет на литейные качества и позволяет отливать достаточно точные размеры заготовок.
Кремний
Является хорошим катализатором для выделения графита в структуре сплава, что важно при производстве серых чугунов. При взаимодействии железа с кремнием образуются соединения силициды FeSi и Fe₃Si₂, активизирующие формирование графитных пластинок, блокируя образование цементита в структуре, повышающего хрупкость материала
Дополнительно, кремний повышает жидкотекучесть сплава, понижает температуру плавления, замедляет скорость охлаждения, что улучшает формообразования отливок. Содержание кремния в массе серых чугунов может присутствовать в пределах 0.8-3.6%.
Марганец
Элемент обратное действие кремнию — для устойчивого удерживания углерода в составе сформированного карбида (цементита), обеспечивая отбеливание чугуна. Предельное содержание марганца в серых чугунах ограничивается в пределах 0.5-1.5%.
Сера
Понижает текучесть расплавленного чугуна, снижает выделение графита и повышает его хрупкость. Данный элемент негативно влияет на качество сплава поэтому его содержание в составе не должно превышать 0.7%
Фосфор
Элемент создаёт в структуре твёрдую и хрупкую эвктетику, поэтому в чугунах предназначенных для изготовления деталей подвергаемых самым малым ударным нагрузкам его содержание не должно превышать 0.3%. Однако для литых деталей требующих повышенной износоустойчивости содержание фосфора доводят до массового содержания в пределах 0.7-0.8%. Дополнительно, фосфор повышает литейные свойства, понижает температуру плавления, уменьшает объёмную усадку. Доведение содержания фосфора до 1.2% позволяет получать гладкие, тонкие и чистые отливки. С таким содержанием фосфора используют чугун для художественного литья.
Никель
Используют как легирующий элемент для выравнивания механических свойств отливок со стенками разной толщины, способствует повышению твердости, коррозийной стойкости и обрабатыванию резанием.
Титан
Элемент притормаживает процесс выделения графита при содержании до 0.05%. С увеличением содержания титана процесс графитезации замедляется и повышает механические свойства.
Хром
Притормаживает процесс выделения графита, приводит к дроблению графитных включений, повышает дисперсность перлита, увеличивает прочность и твердость, снижает текучесть и пластичность сплава.
Магний
Стимулирует выделение графита при содержании элемента в сплаве до 0.01%, с увеличением количества стимулирует отбеливание сплава.
Молибден
Элемент замедляет выделение графита, стимулирует образование карбидов, повышает твердость и износоустойчивость без повышения сопротивляемости к обработке.
Серый чугун: что собой представляет
Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. Такая структура образуется непосредственно при кристаллизации чугуна в отливке в соответствии с диаграммой состояния системы Fe-С (стабильной). Причем, чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по этой диаграмме с образованием графитной эвтектики. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминий, кальций, церий).
Модифицирование металлов — введение в металлические расплавы модификаторов, то есть веществ, небольшие количества которых (обычно не более десятых долен %) способствуют созданию дополнительных искусственных центров кристаллизации, и следовательно, образованию структурных составляющих в измельченной или округлой форме, что улучшает механические свойства металла.
Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы. В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков.
Металлическая основа серых чугунов формируется из аустенита при эвтектоидном распаде и может быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной. Образование перлита происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени. Для получения ферритного белого чугуна используют изотермическую выдержку при 690…650 °С, в результате которой цементит перлита распадается на феррит и пластинчатый графит.
Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и, главным образом, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспеч ивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости.
Марки серых чугунов согласно ГОСТ 1412-85 состоят из букв «СЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении Ств, МПа / 10. Чугун СЧ10 — ферритный; СЧ15, СЧ18, СЧ 20 — ферритно-перлитные чугуны, начиная с СЧ25 — перлитные чугуны.
При производстве чугунных отливок на долю серого чугуна приходится около 80% от общего числа чугунных отливок. Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салаз ки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении из ферритно-перлитных чугунов делают картеры, крышки, тормозные барабаны и др., а из перлитных чугунов — блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют, главным образом, для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена. Из серого чугуна, содержащего фосфор (0,5 %), изготавливают архитектурно-художественные изделия.
Свойства и характеристики
Плотность чугуна колеблется в пределах от 6800 до 7200 г/см 2. Из-за присутствия графита она значительно меньше, чем плотность стали — примерно на 8—10%. Плотность также зависит от содержания магния, кремния и углерода.
Модификаторы могут значительно увеличить плотность, которая повышает антикоррозионную стойкость материала. Эта особенность учитывается при изготовлении канализационных труб, крышек люков и пр.
Удельный вес чугуна во многом зависит от способа выплавки и применяемых модификаторов. Даже в изделии (болванке) показатели удельного веса в верхней и нижней её части разнятся на несколько процентов
Немаловажно содержание графита и условия первичной кристаллизации металла. Среднее значение варьируется в пределах от 7,1 до 7,5 г/см 2
Другие характеристики, такие как масса чугуна в изделии, пластичность зависят от технологии производства. Неизменной остаётся теплопроводность — 1200 градусов Цельсия.
Интересные факты о чугуне
Интересная информация о чугуне заключается в следующем:
- Не встречается в природе, это сплав.
- Впервые получен китайцами.
- В обороте, некоторое время ходили чугунные монеты.
- В Россию, технология производства, попала через мастеров Золотой Орды.
- Англичане построили чугунный мост в XVIII веке.
- Главный мировой производитель — КНР.
- Предметы домашнего обихода (сковороды, кастрюли, утюги) с незначительными изменениями используются многие столетия.
Актуальность чугуна
Со времени получения первого железоуглеродистого сплава прошло не менее полутора тысяч лет. Казалось бы, новейшие технологии научно-технического прогресса должны были полностью вытеснить его. Но нет.
Простой и надёжный, чугун и сейчас незаменим во многих сферах деятельности человека. И в отдельных случаях его предпочитают новым, более «продвинутым» материалам.
Чугунная ванна может быть показателем хорошего материального положения у представителя среднего класса. Кованая ограда особняка характеризует хозяина не только, как богача, но и как человека с определённым художественным вкусом. А знаменитое каслинское литье ставится искусствоведами в один ряд с лучшими образцами художественного ваяния.
Особенности производства ковкого чугуна
Изготовление чугуна КЧ обладает рядом тонкостей, которые обусловлены литьевыми характеристиками и другими свойствами.
Производство ковкого чугуна
Чугун марки БЧ, являющийся основной производства ковкого, обладает не очень хорошими литьевыми параметрами. В, частности, он обладает пониженной жидкотекучестью, большим размером усадки во время остывания, и он склонен к формированию различных литейных дефектов. Эти является причиной того, что при производстве необходимо перегревать металл и принимать меры по борьбе с дефектами литья. Изготовление ковкого чугуна может выполняться с обязательным учетом усадки и изменения размеров заготовок во время томления. Максимальную усадку, имеют тонкие заготовки, минимальную, толстые. Операция томления выполняется при 1350 – 1450 градусов Цельсия.
Отжиг (томление) это базовый этап при производстве чугуна КЧ. Его производят в отдельных цехах, называемых томительными. Заготовки размещают в горшках, выполненных из стали или чугунных сплавов разных марок, для томления. В горшок может быть уложено до 300 отливок исходя из того, что до 1 500 кг должно приходиться на один кубометр.
Ковкий чугун получает наибольшую прочность в горшках, произведенных из белого чугуна с добавками хрома и минимальным количеством фосфора. Расход горшков измеряют по весу, он может составлять от 4 до 15 % веса заготовок. Именно поэтому увеличение их стойкости играет большую роль в формировании стоимости готового ковкого чугуна.
Во избежание коробления готовых отливок укладка заготовок в горшки должна выполняться с особой тщательностью. Их укладывают максимально плотно, для повышения эффекта заготовки пересыпают песком или рудой. Эти материалы предохраняют заготовки от деформации и лишнего окисления.
Для производства ковкого чугуна применяют электрические печи. Это вызвано тем, что в процессе томления должна быть возможность регулировки температуры, резкий подъем на время нагрева и быстрое понижения на стадии его графитизации. Кроме того, не будет лишним, и возможность регулировки воздушной смеси в печи.
Отливки, полученные из ковкого чугуна несколько раз проходят через операцию очистки, а после отжига удалению питателей и правке. Первая чистка проводится для удаления остатков формовочных смесей. Для чистки применяют пескоструйное оборудование или специальные галтовочные барабаны. Удаление остатков питателей происходят на наждаках.
Дефекты ковкого чугуна
Самыми часто встречающимися дефектами ковкого чугуна можно назвать следующие:
- усадочные раковины;
- недолив;
- трещины и пр.
Часть дефектов не может быть исправлена дальнейшей термической обработкой. Следует отметить, то, что изготовление ковкого чугуна требует строго соблюдения всех требований ГОСТ, технологических правил и регламентов. Только в этом случае можно говорить о получении качественного ковкого чугуна, которым допустимо заменять другие, дорогие материала – стали, цветные металлы.
Ковкий чугун
Ковким называется чугун, который получается при длительном отжиге (томлении) отливок из белого чугуна. При отжиге чугуна цементит Fe3C разлагается с образованием железа и углерода отжига (графита), имеющего компактную хлопиевидную форму (рис. 75
). При этой формеграфита получается чугун, обладающий повышенной прочностью, некоторой пластичностью и сопротивлением ударным нагрузкам.Рис. 75
. Схема микроструктуры ковкого чугуна
Название «ковкий чугун» условно и указывает лишь на то, что этот материал по сравнению с серым чугуном является более пластичным; в действительности же ковкий чугун никогда ковке не подвергается, из него так же, как и из серого чугуна, изготовляют лишь фасонные отливки для машиностроения. Для этого выплавляют чугун такого химического состава, чтобы при затвердевании в форме он получился белым (с перлитно-цементитной структурой). Из белого чугуна обычным способом получают отливки, которые затем подвергают отжигу с целью разложения цементита и получения необходимой конечной структуры.Ковкий чугун по своим механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Он имеет достаточно высокие антикоррозионные свойства и хорошо работает в среде сырого воздуха, топочных газов и воды. Его химическая стойкость выше стойкости углеродистых сталей.
В зависимости от способа производства ковкого чугуна он разделяется на две группы: ферритный (черносердечный) и перлитный (белосердечный).
Ферритный (черносердечный) ковкий чугун получается при отжиге отливок в нейтральной среде. Этот чугун имеет бархатистый черный излом с тонкой наружной серой каймой и структурой, состоящей из феррита и углерода отжига (рис. 75, б). Химический состав металла отливок до отжига: 2,2 ÷ 2,9%С; 0,8 ÷ 1,4% S; 0,3 ÷ 0,5% Мn; до 0,2% Р; до 0,12%S; до 0,05% Сr. С уменьшением содержания углерода механическая прочность чугуна повышается, но ухудшаются его литейные свойства.
Механическая прочность ферритного ковкого чугуна соответствует маркам КЧ 37—12, КЧ 35—10, КЧ 33—8 и КЧ 30—6, где КЧ означают «ковкий чугун», первое число определяет минимальный предел прочности при растяжении, второе число — минимальное относительное удлинение в процентах. Из ферритного ковкого чугуна отливают детали для автомобилей и сельскохозяйственных машин, испытывающих сложные напряжения и ударные нагрузки.
Перлитный (белосердечный) ковкий чугун получают при отжиге отливок из белого чугуна в окислительной среде. Этот чугун имеет серебристый излом.
Микроструктура белосердечного ковкого чугуна резко меняется по сечению: у края металл отливки имеет структуру феррита, к центру — структуру перлитно-ферритную (рис. 75, а) или перлитную с углеродом отжига. Белый чугун, используемый для получения белосердечного ковкого чугуна, имеет следующий химический состав: 2,8—3,3%С; до 1,1% Si; 0,5—0,7% Мn; до 0,2% Р, до 0,3% S. После отжига содержание углерода в чугуне уменьшается. В отливках со стенками толщиной 3—5 мм содержание углерода уменьшается до 0,6%, в отливках со стенками толщиной 10—15 мм — до 1,5—2,2%.
Механическая прочность белосердечного ковкого чугуна соответствует маркам КЧ 40—3, КЧ 35—4 и КЧ 30—3. Белосердечный ковкий чугун имеет меньшее удлинение, чем черносердечный, поэтому его применяют для малоответственных отливок (арматура, гаечные ключи, фитинги, гайки и др.). Отжиг отливок для получения ферритного и перлитного ковкого чугуна производят по различным режимам, описанным ниже.
Кремнистые чугуны
Кремнистые чугуны применяют главным образом как окалино-, росто- и коррозионно-стойкие материалы. Механические свойства кремнистых чугунов относительно низкие как при нормальной, так и повышенных температурах (см. табл. 1, 2) и понижаются с увеличением содержания Si. Ударная вязкость не превышает 50 кДж⁄м2 (для образцов без надреза). С целью повышения механических свойств кремнистые чугуны иногда легируют Сu. Добавка 8—10% Сu в чугун ЧС15 повышает его σв до 200 МПа и αн до 100 кДж⁄м2, однако коррозионная стойкость при этом понижается. Таблица 1. Механические свойства легированного чугуна по ГОСТ 7769—88
| Чугун | Механические свойства | ||
| σв, МПа | ƒ300*2, мм | HB, МПа | |
| Хромистые чугуны | |||
| ЧХ1 | 170 | 2,5 | 2030-2080 |
| ЧХ2 | 150 | 2,5 | 2030-2080 |
| ЧХ3 | 150 | 3,0 | 2230-3560 |
| ЧХ3Т*1 | 200 | — | 4400-5860 |
| ЧХ9Н5*1 | 350 | — | 4900-6070 |
| ЧХ16 | 350 | 3,0 | 3900-4400 |
| ЧХ16М2*1 | 170 | — | 4900-6070 |
| ЧХ22 | 290 | 3,0 | 3330-6070 |
| ЧХ22С | 290 | — | 2150-3330 |
| ЧХ28 | 370 | 6,0 | 2150-2640 |
| ЧХ28П | 200 | 1,5 | 2450-3900 |
| ЧХ22Д2*1 | 390 | — | 3900-6350 |
| ЧХ32 | 390 | — | 2450-3330 |
| Кремнистые чугуны | |||
| ЧС5 | 150 | — | 1400-2940 |
| ЧС5Ш | 290 | — | 2230-2940 |
| ЧС13 | 100 | — | 2940-3900 |
| ЧС15 | 60 | — | 2940-3940 |
| ЧС17 | 40 | — | 3900-4500 |
| ЧС15М4 | 60 | — | 3900-4500 |
| ЧС15М3 | 60 | — | 3900-4500 |
| Алюминиевые чугуны | |||
| ЧЮХШ*1 | 390 | — | 1830-3560 |
| ЧЮ6С5*1 | 120 | — | 2360-2940 |
| ЧЮ7Х2*1 | 120 | — | 2540-2940 |
| ЧЮ22Ш | 290 | — | 2350-3560 |
| ЧЮ30 | 200 | — | 3560-5360 |
| Марганцевые чугуны | |||
| ЧГ6С3Ш*1 | 490 | — | 2150-2540 |
| ЧГ7Х4*1 | 150 | — | 4900-5860 |
| ЧГ8Д3 | 150 | — | 1760-2850 |
| Никелевые чугуны | |||
| ЧНХТ | 280 | — | 1960-2800 |
| ЧНХМД | 290 | — | 1960-2800 |
| ЧНМШ | 490 | 2 | 1830-2800 |
| ЧН2Х | 290 | — | 2150-2800 |
| ЧН4Х2*1 | 200 | 1,5*2 | 4600-6450 |
| ЧН11Г7Ш | 390 | 4 | 1200-2500 |
| ЧН15Д3Ш | 340 | 4 | 1200-2500 |
| ЧН15Д7 | 150 | — | 1200-2500 |
| ЧН19Х3Ш | 340 | 4 | 1200-2500 |
| ЧН20Д2Ш | 500 | 25 | 1200-2200 |
| *1 Износостойкий чугун | |||
| *2 Стрела прогиба на базе 300 мм. |
Таблица 2. Прочность легированных чугунов при различных температурах
| Чугун | σв, МПа, при температуре, °C | ||||
| 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | |
| ЧХ1 | 196 | 147 | 68 | 29 | — |
| ЧХ3 | 167 | 147 | 78 | 29 | — |
| ЧС5 | 118 | 98 | 49 | 19 | — |
| ЧЮХШ | 343 | 235 | 130 | 78 | — |
| ЧЮ6С5 | 118 | 98 | 49 | 19 | — |
| ЧЮ22Ш | 245 | 275 | 168 | 137 | 78 |
| ЧН19Х3Ш | — | 250 | 221 | — | — |
| ЧН11Г7Ш | — | 300 | 227 | — | — |
Литейные свойства низкокремнистых чугунов мало отличаются от свойств СЧ или соответственно ВЧШГ.
Высококремнистые чугуны (≥12,0% Si) имеют повышенную усадку и склонны к образованию усадочных раковин. Для предупреждения образования горячих и холодных трещин в отливках из этих чугунов их удаляют из формы сразу после затвердевания и охлаждают в печи, нагретой до 760—800 °С, или обеспечивают медленное охлаждение в форме
Отливки хрупки и требуют осторожного обращения при механической обработке, транспортировке и монтаже
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.
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.
Достоинства и недостатки
На бытовом уровне главные преимущества чугунных сплавов: нетоксичность, биосовместимость, гигиеничность, термостойкость. Благодаря этому чугунки, другая посуда не разрушается кислотно-щелочными составами (например, при варке борща), легко моется, долго остается теплой.
Для промышленников на первом плане другие достоинства:
- Простой, экономичный способ получения.
- Прочность, сохранение потребительских характеристик продукции десятилетиями.
- Возможность изготовления широкого ассортимента.
Плюс доступные цены на всю продукцию – от чушек до сковородок или декоративной скамьи.
Чугунная сковорода
Недостатки материала:
- Хрупкость.
- Трудность сваривания.
- Беззащитность перед коррозией.
- Тяжеловесность изделий.
Часто для транспортировки, сборки, обслуживания продукции требуются особые условия.
При сварке, например, заранее прогревают детали, подбирают материал, режим. То есть используют газовые установки, покрытые либо угольные электроды, проволоку из порошка.
