Ковкий чавун: властивості, маркування та галузь застосування

Чавун – твердий, корозійно-стійкий, проте крихку железоуглеродистий сплав з вмістом карбону З в межах від 214 до 667 %. Незважаючи на наявність характерних недоліків, що має різноманітність видів, властивостей, областей застосування. Широко використовуваним є ковкий чавун.

Історія

Цей матеріал був відомий, починаючи з IV століття до н.е. Його китайські корені знаходяться в VI ст. до н. е. У Європі перші згадки про промисловому виробництві сплаву датуються XIV, а в Росії – XVI століттям. А ось технологія виробництва ковкого чавуну запатентована в Росії в XIX столітті. Після розвинена А. Д. Анносовим.


Так як сірі чавуни обмежені у використанні в силу низьких механічних властивостей, а стали – дорогі і мають невисоку твердість і довговічність, то виникло питання про створення надійного металу, довговічного, твердого, в той же час має підвищену міцність і певну пластичність. Кування чавуну неможлива, однак завдяки пластичним характеристикам, він піддається деяким видам обробки тиском (наприклад, штампування).

Виробництво

Основний спосіб – плавка в доменних печах. Вихідні продукти для доменної переробки:

Шихта - залізна руда, містить метал у вигляді оксидів ферума.

Паливо - кокс і природний газ.

Кисень - вдувається через спеціальні фурми.

Флюси - хімічні освіти на основі марганцю і (або) кремнію.

Етапи доменної плавки:

Відновлення чистого заліза шляхом хімічних реакцій залізної руди з подається через фурми киснем.

Згоряння коксу й утворення оксидів карбону.

Науглероживание чистого заліза в реакціях з та З 2 .

Насичення Fe 3 C марганцем і кремнієм в залежності від необхідних властивостей на виході.

Зливання готового металу у форми через чавунні льотки; злив шлаку через шлакові льотки.

По завершенню робочого циклу домни отримують чавун, шлак і колошниковие гази.

Металеві продукти доменного виробництва

Залежно від швидкості охолодження, мікроструктури, насичення вуглецем і домішками можливе отримання декількох видів чавунів:

Передельние (білі): карбон у зв'язаному вигляді, первинний цементит. Використовуються в якості сировини для виплавки інших залізовуглецевих сплавів, переробки. До 80% усього виробленого доменного сплаву.

Ливарні (сірі): карбон у вигляді повністю або частково вільного графіту, а саме його пластин. Використовуються для виробництва маловідповідальних корпусних деталей. До 19% продукованого доменного лиття.

Спеціальні: насичені феросплавами. 1-2% розглянутого виду виробництва.

Ковкий чавун одержують за допомогою термічної обробки передільного.

Теорія залізовуглецевих структур

Карбон з ферумом можуть утворювати кілька різних видів сплавів за типом кристалічної решітки, що відображається на варіанті мікроструктури.

Твердий розчин проникнення в ?-залізо – ферит.

Твердий розчин проникнення в ?-залізо – аустеніт.

Хімічна освіта Fe 3 C (пов'язане стан) – цементит. Первинний утворюється шляхом швидкого охолодження рідкого розплаву. Вторинний – більш повільне зниження температури, з аустеніту. Третинний – поступове охолодження, з фериту.

Механічна суміш зерен фериту і цементиту – перліт.

Механічна суміш зерен перліту або аустеніту і цементиту – ледебурит.

Для чавунів характерна особлива мікроструктура. Графіт може перебувати у зв'язаному вигляді і утворювати вищеперелічені структури, а може перебувати у вільному стані у формі різних включень. На властивості впливають як основні зерна, так і ці утворення. Графітовими фракціями в металі є пластини, пластівці або кулі.
Пластинчаста форма характерна для сірих залізовуглецевих сплавів. Вона обумовлює їх крихкість і ненадійність. Включення хлопьеобразние мають ковкие чавуни, ніж позитивно впливають на їх механічні показники. Куляста структура графіту ще більш поліпшує якості металу, впливаючи на збільшення твердості, надійності, витримки значних навантажень. Такими характеристиками володіє чавун високоміцний. Ковкий чавун властивості свої обумовлює феритної або перлітною основами з наявністю хлопьеобразних графітових включень.

Отримання феритного ковкого чавуну

Його виробляють з білого передільного доевтектоидного малоуглеродистого сплаву шляхом відпалу злитків з вмістом карбону 24-28 % і відповідного їм наявності добавок (Mn, Si, S, P). Товщина стінок отжигаемих деталей повинна бути не більше 5 см. Для виливків значної товщини графіт має форму пластин і бажані властивості не досягаються. Щоб отримати ковкий чавун з феритної основою, метал поміщають у спеціальні ящики і пересипають піском. Щільно закриті ємності поміщають в нагрівальні печі. Проводять наступну послідовність дій при відпалі:

Конструкції нагрівають в печах до температури 1000 ?З і залишають витримуватися при постійній теплоті на строк від 10 до 24 годин. В внаслідок розпадається первинний цементит і ледебурит.

Метал охолоджують до 720 ?З разом з піччю.

При температурі 720 ?З витримуються тривало: від 15 до 30 годин. Ця температура забезпечує розпад вторинного цементиту.

На завершальній стадії знову охолоджують разом з робочою пічкою до 500 ?З, а після вилучають на повітря.

Такий технологічний відпал називається графитизирующим.
Після проведених робіт мікроструктура матеріалу являє собою ферит з подібними на пластівці зернами графіту. Цей тип називають «черносердечним», так як злам має чорний колір.

Отримання перлітового ковкого чавуну

Це різновид железоуглеродистого сплаву, яка також зароджується з доевтектоидного білого, проте вміст вуглецю в ньому збільшено: 3-36 %. Для отримання виливків з перлітною основою їх поміщають в ящики і пересипають подрібненої порошкоподібної залізною рудою або окалиною. Сама процедура відпалу спрощується.

Температуру металу підвищують до 1000 ?С, витримують 60-100 годин.

Конструкції охолоджуються з піччю.

Внаслідок томління під впливом жару в металевому оточенні відбувається дифузія: виділяється в цементитном розпад графіт частково залишає поверхневий шар отжигаемих деталей, осідаючи на поверхні руди або окалини. Отримують більш м'який, в'язкий і пластичний верхній шар «біло-сердечного» ковкого чавуну з твердою серединою. Такий відпал називають неповним. Він забезпечує розпад цементиту і ледебуриту на пластинчастий перліт з відповідним графітом. У разі, якщо необхідний зернистий перлітовий ковкий чавун з більш високими показниками ударної в'язкості і пластичності, застосовується додатковий підігрів матеріалу до 720 ?С. При цьому утворюються зерна перліту з подібними на пластівці графітними включеннями.

Властивості, маркування і застосування феритного ковкого чавуну

Тривале «томління» металу у печі має наслідком повний розпад цементиту і ледебуриту на ферит. Завдяки технологічним хитрощів, отримують сплав з високим вмістом вуглецю – феритної структура, характерна для низьковуглецевої сталі. Однак карбон сам по собі нікуди не зникає, він переходить із зв'язаного з залізом стану у вільний. Температурний вплив змінює форму графітових включень до хлопьеобразной. Феритної структура обумовлює зниження твердості, збільшення значень міцності, наявність таких характеристик, як ударна в'язкість і пластичність. Маркування ковких чавунів феритного класу: КЧ30-6 КЧ33-8 КЧ35-10 КЧ37-12 де: КЧ – позначення різновиду – ковкий; 303335 37: ? у , 300330350 370 Н/мм 2 – максимальне навантаження, яке він може витримати, не руйнуючись; 6810 12 – відносне подовження ?, % – показник пластичності (чим вище значення, тим більше метал піддається обробці тиском). Твердість – близько 100-160 НВ. Цей матеріал за своїми показниками займає середнє положення між такими, як сталь і железоуглеродистий сплав сірий. Ковкий чавун з феритної основою поступається перлитному за показниками зносостійкості, корозійної та втомної міцності, проте вище за механічної витримці, пластичності, ливарним характеристиками. Завдяки невисокій ціні широко використовується в промисловості для виготовлення деталей, що працюють при малих і середніх навантаженнях: зубчасті колеса, картери, задні мости, сантехніка.

Властивості, маркування і застосування перлітового ковкого чавуну

Внаслідок неповного відпалу первинний, вторинний цементити і ледебурит встигають повністю розчинитися в аустените, який при температурі 720 ?З перетворюється в перліт. Останній являє собою механічну суміш зерен фериту і цементиту третинного. Власне, частина вуглецю залишається у зв'язаному вигляді, обумовлює структуру, а частина – «звільняється» в пластівчастий графіт. При цьому перліт може бути пластинчастий або зернистий. Таким чином формується перлітовий ковкий чавун. Властивості обумовлені його насиченою більш твердою і менш податливою структурою. Ці, в порівнянні з ферритними, володіють більш високими антикорозійними, зносостійкими властивостями, їх міцність значно вище, однак нижче ливарні характеристики і пластичність. Податливість до механічних впливів збільшена поверхнево, зберігаючи твердість і в'язкість серцевини виробу. Маркування ковких чавунів перлітового класу: КЧ45-7 КЧ50-5 КЧ56-4 КЧ60-3 КЧ65-3 КЧ70-2 КЧ80-15. Перша цифра позначення міцності: 450500560 600650700 і 800 Н/мм 2 відповідно. Друга – позначення пластичності: відносне подовження ?, % – 754 332 і 15. Перлітовий ковкий чавун застосування знайшов у машинобудуванні та приладобудуванні для конструкцій, що працюють при великих навантаженнях - як статичних, так і динамічних: розподільні вали колінчасті вали, деталі зчеплення, поршні, шатуни.

Термічна обробка

Матеріал, отриманий внаслідок термічної обробки, а саме відпалу, може повторно піддаватися методів температурних впливів. Їх основна мета – ще більше збільшення міцності, зносостійкості, стійкості до корозії та старіння.

Загартування застосовується для конструкцій, що вимагають високої твердості і в'язкості; виробляється шляхом нагрівання до 900 ?З, деталі охолоджуються з середньою швидкістю близько 100 ?З/с з допомогою машинного масла. Слідом за нею слід високий відпустку з нагріванням до 650?З і охолодженням на повітрі.

Нормалізація використовується для дрібних простих деталей методом нагрівання в печі до 900 ?З, вистоювання при цій температурі строком від 1 до 15 години і подальшого охолодження на повітрі. Забезпечує трооститний зернистий перліт, його твердість і надійність при терті та зношуванні. Застосовується для отримання антифрикційних ковких чавунів з перлітною основою.

Відпал проводиться повторно при виготовленні антифрикційного: нагрівання – до 900 ?З, довготривала витримка при цій теплоті, охолодження разом з піччю. Забезпечується феритної або ферритно-перлитная структура антифрикційного ковкого чавуну.

Нагрівання чавунних виробів може проводитися місцево або комплексно. Для місцевого застосовуються високочастотні струми або ацетиленовое полум'я (проведення загартування). Для комплексного – нагрівальні печі. При місцевому нагріванні загартовується тільки верхній шар, при цьому підвищується його твердість і міцність, але зберігаються показники пластичності і в'язкості серцевини. Тут важливо зазначити, що ковка чавуну неможлива не тільки в силу недостатніх механічних характеристик, але і внаслідок високої чутливості до різкого перепаду температур, який неминучий при гартуванні з водяним охолодженням.

Антифрикційні ковкие чавуни

Ця різновид відноситься і до ковким, і до легованим, вони бувають сірими (АЧС), ковкими (АЧК) і високоміцними (АЧВ). Для виробництва АЧК використовується ковкий чавун, який піддається відпалу або нормалізації. Процеси здійснюються з метою підвищення його механічних властивостей і утворення нової характеристики зносостійкості при терті з іншими деталями. Маркується: АЧК-1 АЧК-2. Застосовується для виробництва колінчастих валів, шестерень, підшипників.

Вплив добавок на властивості

Крім железоуглеродистой основи і графіту вони мають у своєму складі і інші складові, які обумовлюють властивості чавуну: марганець, силиций, фосфор, сірку, деякі легуючі елементи. Манган підвищує плинність рідкого металу, корозійну стійкість і зносостійкість. Він сприяє підвищенню твердості і міцності, зв'язування карбону з залізом в хімічну формулу Fe 3 C, утворення зернистого перліту. Силиций також позитивно впливає на плинність рідкого сплаву, сприяє розпаду цементиту і виділенню графітових включень. Сірка – негативна, але неминуча складова. Вона знижує механічні та хімічні властивості, стимулює утворення тріщин. Однак раціональне співвідношення її змісту з іншими елементами (наприклад, з марганцем) дозволяє коригувати мікроструктурні процеси. Так, при співвідношенні Mn-S 08-12 зберігається перліт при будь-яких термінах температурних впливів. При підвищенні співвідношення до 3 з'являється можливість отримати будь-яку необхідну структуру в залежності від заданих параметрів. Фосфор змінює жидкотекучесть в кращу сторону, впливає на міцність, знижує ударну в'язкість і пластичність, впливає на тривалість графітизації. Хром і молібден ускладнюють освіти графітових пластівців, в деяких змістах сприяють утворенню зернистого перліту. Вольфрам підвищує зносостійкість при роботі в зонах високих температур. Алюміній, нікель, мідь сприяють графітизації. Коригуючи кількість хімічних елементів, що входять до складу железоуглеродистого сплаву, а також їх співвідношення, можна впливати на підсумкові властивості чавуну.

Переваги і недоліки

Ковкий чавун– матеріал, що має широке використання в техніці. Його основні переваги:

високі показники твердості, зносостійкості, міцності поряд з жидкотекучестью;

нормальні характеристики ударної в'язкості і пластичності;

технологічність при обробці тиском, на відміну від сірих чавунів;

різноманітні варіанти корекції властивостей під певну деталь методами термічної і хіміко-термічної обробки;

низька вартість.

До недоліків можна віднести індивідуальні особливості:

крихкість;

наявність графітових включень;

низькі характеристики при обробці різанням;

значний вагу виливків.

Незважаючи на існуючі недоліки, ковкий чавун займає відповідальне місце в металургії і машинобудуванні. З нього виробляються такі важливі деталі, як колінчасті вали, деталі гальмівних колодок, зубчасті колеса, поршні, шатуни. Маючи незначну різноманітність марок, індивідуальну нішу в промисловості займає ковкий чавун. Застосування його характерно для тих навантажень, при яких використання інших матеріалів малоймовірно.