Ковкий чугун свойства – серый высокопрочный чугун и его применение

Ковка чугуна — миф или реальность. Свойства ковкого чугуна

Получение ковкого чугуна

Ковкий чугун получается из белых чугунных отливок при длительном томлении. Для его получения пользуются двумя способами: американским и европейским.

Американский способ заключатся в том, что томление производят в песке с температурой 800 – 850 градусов. В этом случае углероды из химически связанного состояния переходят в свободное состояние и в качестве графита располагаются зернами среди чистого железа. В результате чугун становится вязким, поэтому его и называют ковким. В европейском варианте отливки томятся в железной руде с температурой 850 – 950 градусов. Углероды из связанного состояния в результате диффузии с поверхностей отливок переходят в атмосферу. В результате потери углерода отливки снаружи становятся мягкими, и чугун называют ковким. При этом середина сохраняет хрупкость.

Понятие «ковка» для чугуна условно и обозначает только то, что он в сравнении серыми чугунами пластичен. На практике собственно ковка чугуна никогда не происходит. Ковкий чугун применяется для изготовления лишь фасонных отливок для машиностроительной отрасли, наравне с отливками из серого чугуна.

 

Фото: Ковкий чугун — включения хлопьевидного графита (углерода отжига).

После отжига, за счет образовавшегося хлопьевидного углерода, сплав приобретает повышенную прочность, некоторую пластичность и сопротивление ударным нагрузкам, поэтому ковка невозможна. Иногда понятие «ковка» подменяется «обработкой» чугуна или штамповка называется — машинная ковка, что тоже не верно.

В маркировке ковкого чугуна указываются числа, обозначающие средние величины пределов прочности на разрыв в кг на мм² и удлинения в %. К примеру, марка КЧ 35-10 означает «ковкий чугун, предел прочности которого составляет 35 кг/мм

2, а удлинение – 10%.

Механические свойства

ГОСТ 1215-79 регламентирует механические свойства ковкого чугуна. Маркировка и стандартизация основана на принципе регламента допустимого значения механических свойств при растяжении. Твердость сплава зависит в основном от матрицы, а пластичность и прочность – от графита и матрицы.

Ковкие чугуны по своим механическим свойствам находятся в промежутке между сталью и серым чугуном. В отличие от углеродистой стали для них характерна жидкотекучесть, способность поглощения вибрации при циклических нагрузках (демпфирующая способность) и износостойкостью.

Ковкий чугун обладает высокими антикоррозийными свойствами, поэтому среда влажного воздуха, топочные газы и вода ему не страшны.

Марки ферритного и перлитного чугуна. Использование

Ковкий чугун бывает двух видов: ферритный и перлитный, в зависимости от способа его получения.

Чугун на изломе бархатистый черного цвета с тонкой серой каймой снаружи. Структура включает феррит или перлит и графит отжига. Из-за черной сердцевины, сплав получил название «черносердечный».

 

Фото Ковкий чугун: феррит и углерод отжига.

По ГОСТу к ферритному чугуну применима следующая маркировка: КЧ 30-6; КЧ 33-8; КЧ 35-10; К 37-12, КЧ 38-10. Металл двух последних марок применяют в автомобильной и сельскохозяйственной отрасли для изготовления деталей, выдерживающих высокие динамические и статические нагрузки — задних мостов для машин, крючков и др. Для менее «ответственных» деталей (гаек, фланцев и др.) используется чугун марок КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10.

Прочность ферритного чугуна ниже, чем прочность перлитного чугуна, но второй менее пластичен.

К перлитному чугуну по ГОСТу применяется такая маркировка: КЧ 63-2; КЧ 60-3; КЧ 50-5. Его отличают следующие свойства: высокая прочность и износостойкость. Применение: изготовление вилок карданного вала, звеньев цепи конвейера, муфт и др.

Фото Феррит, перлит и угле­род отжига.

При пониженной температуре ковкий чугун работает удовлетворительно, но становится более хрупким при динамических нагрузках.

Несмотря на разнообразие марок по ГОСТу и применение, материал чаще используется для получения тонкостенного литья с толщиной стенок от 3 до 40 мм.

 

Фото Перлит и углерод отжига.

Химический состав и технологические свойства

ГОСТом химический состав не регламентирован. Он определен требованием к его технологическим свойствам. Свойства ковкого чугуна регулируются процентным содержанием углерода и кремния. А на технологические свойства перлитного чугуна влияют еще и хром, марганец и др.

• Литейные свойства выражены жидкотекучестью, усадкой, склонностью к образованию горячих трещин. Они достаточно высокие, поэтому ковкий материал характеризуется хорошим литейным материалом.
• Такое свойство, как жидкотекучесть, очень важно для чугунных отливок ввиду их сложных конфигураций и тонких стенок при малом весе. При повышении содержания фосфора, кремния и углерода она тоже возрастает. Марганец и сера сами по себе на жидкотекучесть влияют слабо, но при увеличенном содержании двух элементов одновременно она понижается.
• Объемы усадки зависят от технологического процесса изготовления отливок и химического состава металла. В жидком состоянии и при затвердении усадка определяет пористость и возникновение раковин. В твердом состоянии усадка показывает разницу размеров модели и отливки по ней. Общая объемная усадка по ГОСТу определяется во время кристаллизации отливок, когда жидкий металл переходит в твердое состояние и включает объем усадочных раковин и усадочную пористость.
• Горячие и холодные трещины в отливке возникают в слукция отливок, или низкая податливость стержней и форм.

 

Фото Чугун ковкий.

Обработка

Разные марки по ГОСТу сильно разнятся по обработке, хотя физические и механические свойства могут быть идентичными. Чаще это связано с минимальными структурными различиями. Например, 5-7 процентное включение цементита очень снижает стойкость режущих инструментов в процессе механической обработке, хотя на прочность и твердость ковкого материала почти не влияют. При увеличении пластичности металла сверх нормы вызывает появление наростов на передних гранях инструментов. Это также понижает его стойкость. Такое случается во время обработки ферритного чугуна марки КЧ 35-10, КЧ 37-12. Но основная причина, нарушающая зависимость между прочностью и твердостью с обрабатываемостью, кроется в структурной неоднородности. Особенно это относится к перлитному чугуну. Например, сплав с зернистым перлитом обрабатывается лучше, чем с перлитом крупнопластинчатым, хотя и более твердый.

С повышением содержания кремния и углерода в структуре металла повышается уровень свободного углерода. Соответственно, твердость понижается, обрабатываемость улучшается. Высокая чистота обрабатываемой поверхности достигается при равномерных мелких включениях углерода отжига в металле. Чистота обрабатываемой поверхности у перлитного чугуна выше, чем у ферритного.

Это важно для нарезания резьбы. Она получится совершенней на перлитном чугуне, чем на ферритном.

Область применения

Применение ковкого чугуна в качестве конструкционного материала широко используется в разных отраслях машиностроения из-за высоких физико-механических свойств отливок, стабильной и достаточно легкой технологичности производства. А также низкой себестоимости в сравнении со стальными отливками, штамповкой и поковкой. Отливки из чугуна широко применяются в тракторостроении и автомобилестроении, сельхозмашиностроении и других отраслях промышленности.

Машиностроительные заводы производят чаще ферритный и очень немного перлитного, хотя показатели последнего (прочность, износостойкость, усталостная прочность, гашение вибраций, работа при повышенных температурах и др) существенно выше.

Из перлитного чугуна делают детали сцепления, распределительные валы, коромысла для клапанов, поршни для дизельных двигателей и др).

 

Фото Распределительный вал из ковкого чугуна.

Промышленная маркировка

Маркировка чугуна по ГОСТу в промышленности выглядит следующим образом:

• П1, П2 – марка передельного;
• ПЛ1, ПЛ2 – для передельного для отливок;
• ПФ1, ПФ2, ПФ3 – для передельного фосфористого;
• ПВК1, ПВК2, ПВК3 – для передельного высококачественного;
• СЧ – для чугуна с пластинчатым графитом.

Маркировка антифрикционного чугуна:

• АЧС – для антифрикционного серого;
• АЧВ – для антифрикционного высокопрочного;
• АЧК – для антифрикционного ковкого.

ВЧ – марка чугуна с шаровидным графитом.

Ч – марка чугуна легированного со специальными свойствами.

Похожие статьи

goodsvarka.ru

Как формируется структура ковкого чугуна — Моя ковка

Чугун — сплав железа с углеродом (от 2,14% до 4-5% углерода), применяемый в промышленности, сантехнике и отоплении, используемый в хозяйственном быту.

Чугуны дешевле стали (также сплав железа с углеродом), имеют лучшие литейные свойства, большую тепловую инертность, поэтому широко применяются в различных отраслях машиностроения.

Схема отжига белого чугуна на ковкий.

 

В зависимости от технологии изготовления в структуре сплава формируются две разные углеродистые формы: графит или цементит. Присутствие того или иного вида углеродного включения определяет вид чугуна и его свойства. Серый чугун содержит свободный углерод (графит), он является литейным. Он характеризуется достаточной пластичностью, позволяющей выполнять его механическую обработку.

Для белого чугуна, содержащего связанный углерод (цементит), характерна высокая твердость и следующая за ней износостойкость, он хрупок и плохо обрабатывается механическим резанием. Он является основой для получения ковкого вида, объединяющего в себе свойства прочности и пластичности. Какая обработка приводит к преобразованию белого чугуна в ковкий и при каких технологических операциях формируется структура ковкого чугуна?

Вам может быть интересно: Сайт о фундаменте.

Виды сплавов: белый и серый

Схема микроструктуры ковкого чугуна.

Структура чугуна белого формируется благодаря быстрому охлаждению при затвердевании. При такой технологии растворенный при высоких температурах углерод не успевает выделиться в отдельную структурную составляющую и остается в связанном виде (цементит или карбид железа Fe₃C). Его присутствие определяет свойства твердости, износостойкости и хрупкости.

Поскольку скорость охлаждения играет определяющее значение для формирования структуры, важна толщина отливок. При слишком большом сечении (больше 50 — 60 мм) трудно отрегулировать требуемую скорость остывания и получить необходимую безграфитную структуру по всей толщине.

Белые сплавы часто называют передельными, поскольку сами по себе они не применяются, а служат промежуточным сплавом, который либо отжигается в ковкий чугун (КЧ), либо переплавляется в сталь.

Технология получения серого чугуна предполагает медленное охлаждение при затвердевании плюс дополнительное модифицирование кремнием в размере 1-3% (кремний усиливает графитизацию), что позволяет растворенному графиту выделиться в виде отдельных включений.

Структура чугуна с полученными графитными включениями формирует меньшую (чем при цементите) твердость материала и позволяют обрабатывать его резанием. Форма и дисперсность графита, структура металлической основы определяют свойства и виды материала чугунного сплава: серый (СЧ), высокопрочный (ВЧ).

Вернуться к оглавлению

Ковкий чугун: свойства и структура

Схемы микроструктур чугуна.

Ковкий вид чугуна не обрабатывается давлением, над ним не выполняется ковка. Название «ковкий чугун» связано с повышенной пластичностью и вязкостью.

Для получения оптимального сочетания прочности и пластичности используется технология длительного отжига отливок (от 50 до 120 часов) при температуре 900 — 1050ºC. Толщина стен отливок должна быть меньше 50 мм. При этом имеющиеся цементитовые включения распадаются на свободный углерод и феррит (железо).

Процесс распада цементита, называемый графитизацией, может быть полным или не полным. При полном распаде структура чугуна освобождается от всех включений цементита, которые сначала растворяются в аустените (высокотемпературная модификация железа) и затем выделяются в виде графита. Полная графитизация чугуна и преобразование литого материала в ковкий чугун происходит при длительной выдержке и медленном охлаждении.

Схема получения ковкого чугуна.

Плавное охлаждение обеспечивает хлопьевидную форму углерода в структуре ковкого чугуна. В отличие от пластинчатой формы графита, являющейся концентратором напряжений и источником разрушения, обеспечивающей хрупкость чугуна, хлопьевидная форма не ослабляет структуру металлического сплава. Хлопьевидный графит формирует требуемую для ковкого чугуна пластичность и вязкость.

Более пластичной будет структура с шаровидными углеродными включениями, свойственными высокопрочному сплаву. Высокопрочные чугуны получают из серого чугуна модификацией (легированием) щелочно-земельными металлами (добавками магния, церия).

Таким образом, в результате длительного отжига и медленного охлаждения тонкостенных отливок формируется структура, для которой характерны мягкая ферритная основа и компактные графитные включения.

Такая структура чугуна характеризуется хорошей износостойкостью, достаточной прочностью на удар, хорошо обрабатывается резанием и потому широко применяется в различных промышленных сферах.

Толстостенные отливки (больше 50 мм) формируют не только хлопьевидные, но и пластинчатые графитные включения. Такая структура хуже обеспечивает полный комплекс механических свойств ковкого материала.

Вернуться к оглавлению

Отжиг: технология и фазовые превращения

Диаграмма изотермических превращений аустенита в ковком чугуне с 2,9% С; 0,88% Si, 0,36% Mn и 0,09% S.

По получаемой структуре ковкий вид материала делят на белосердечный (перлитный) и черносердечный (ферритный) материал. Перлитный является более твердым и износостойким, а ферритный — более прочным и вязким. Структура чугуна ковкого (феррит или перлит + графитные включения) определяется особенностями отжига, температурой и временем выдержки (томления) в печи.

От структурных составляющих и их формы зависят свойства готового материала. Структура чугуна для полноценного отжига с получением требуемых свойств не должна содержать в себе выделений свободного графита, должна быть «отбеленной» по всему сечению. Для этого в сплаве ограничивают количество содержания кремния, способствующего графитизации.

Вернуться к оглавлению

Перлитная основа

Основные виды чугунов.

Белосердечный (перлитный) ковкий чугун получают обезуглероживающим отжигом отливок в порошке железной руды. Популярность этой технологии в прошлом объясняется повышенным содержанием углерода в вагранных отливках (3,4 — 3,6%).

Современная плавка в вагранке дает меньшее содержание углерода (до 3%).

Для перлитного ковкого чугуна используются отливки белого чугуна, содержащие углерод в количестве 3,0 — 3,6 %, технологические добавки кремния, марганца, фосфора, серы. Их размещают в коробах и засыпают свежим рудным порошком или окалиной. При отжиге в железной руде формируется окислительная среда, и углерод частично выгорает (окисляется). Поверхностный слой на глубине до 2 мм оказывается полностью обезуглероженным.

Получаемое литое изделие имеет прочность к воздействию разрывающих и усталостных нагрузок, близкую к стали, повышенную износостойкость. Отливка после обезуглероживания формирует разные свойства вдоль сечения: меньшая твердость на поверхности и большая в сердцевине.

Нагрев выполняется в одну стадию: до 1000 ºC, затем следует длительная выдержка (от 60 до 100 часов) и медленное непрерывное охлаждение вместе с печью. Формируемая «белосердечная» структура состоит из перлита, который на изломе имеет серебристый белый цвет.

На приведенном ниже Изображении 2 структура перлитного ковкого материала соответствует фото «а».

Вернуться к оглавлению

Ферритная основа

Холодная дуговая сварка чугуна.

Черносердечный (ферритный) ковкий чугун (фото «б» на приведенном изображении) отжигается без присутствия руды.

Для защиты от окисления отливки засыпают песком или шамотом, возможно, стальной стружкой. Такой отжиг называют графитизирующим.

Для получения ферритного ковкого чугуна важна структура исходной отливки и химический состав сплава. Ферритный черносердечный материал отжигают из белого, содержащего углерод в количестве 2,4 — 2,8 %, а также добавки кремния, марганца, серы и фосфора. Такие малоуглеродистые сплавы плавятся при повышенных температурах (в сравнении со среднеуглеродистыми), поэтому для их плавки применяется дуплекс — процесс.

На первой стадии при температурной выдержке 900 — 1050 ºC распадается углерод цементита (время выдержки 10-15 часов). На втором этапе при 720 — 760 ºC распадается перлит с выделением свободного феррита и графита, время выдержки 25 — 30 часов.

Таким образом, структура чугуна после двух стадий отжига содержит феррит и свободный хлопьевидный графит. Излом зерен феррита имеет темно-серый цвет, поэтому такие чугуны получили название черносердечных. Черносердечный ковкий чугун характеризуется хорошей вязкостью, дающей возможность обрабатывать его механическим воздействием (на режущем станке). Плотность литья и небольшие литьевые напряжения позволяют лить из ковкого вида тонкостенные детали с толщиной стенок от 4 до 40 мм.

По механическим и литьевым свойствам ковкий вид материала лучше других видов сплавов, но хуже стали.

Ферритная структура обладает небольшой твердостью и износостойкостью, но характеризуется хорошей вязкостью и прочностью. Такой материал заменяет сталь в неответственных узлах.

moyakovka.ru

Основные свойства и области применения ковкого чугуна

Основные свойства и области применения 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.

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.

uas.su

свойства, маркировка и область применения

Бизнес 22 августа 2016

Чугун – твердый, коррозийно-устойчивый, однако хрупкий железоуглеродистый сплав с содержанием карбона С в пределах от 2,14 до 6,67 %. Несмотря на наличие характерных недостатков, имеет разнообразие видов, свойств, областей применения. Широко используемым является ковкий чугун.

История

Этот материал был известен, начиная с IV века до н. э. Его китайские корни находятся в VI в. до н. э. В Европе первые упоминания о промышленном производстве сплава датируются XIV, а в России – XVI веком. А вот технология производства ковкого чугуна запатентована в России в XIX веке. После развита А. Д. Анносовым.

Так как серые чугуны ограничены в использовании в силу низких механических свойств, а стали – дорогостоящие и имеют невысокую твердость и долговечность, то возник вопрос о создании металла надежного, долговечного, твердого, в то же время имеющего повышенную прочность и определенную пластичность.

Ковка чугуна невозможна, однако благодаря пластичным характеристикам, он поддается некоторым видам обработки давлением (к примеру, штамповке).

Производство

Основной способ – плавка в доменных печах.

Исходные продукты для доменной переработки:

• Шихта — железная руда, содержащая металл в виде оксидов ферума.
• Топливо — кокс и природный газ.
• Кислород — вдувается через специальные фурмы.
• Флюсы — химические образования на основе марганца и (или) кремния.

Этапы доменной плавки:

1. Восстановление чистого железа путем химических реакций железной руды с подаваемым через фурмы кислородом.
2. Сгорание кокса и образование оксидов карбона.
3. Науглероживание чистого железа в реакциях с СО и СО₂.
4. Насыщение Fe₃C марганцем и кремнием в зависимости от необходимых свойств на выходе.
5. Слив готового металла в формы через чугунные летки; слив шлака через шлаковые летки.

По завершению рабочего цикла домны получают чугун, шлак и колошниковые газы.

Металлические продукты доменного производства

В зависимости от скорости охлаждения, микроструктуры, насыщенности углеродом и добавками возможно получение нескольких видов чугунов:

1. Передельные (белые): карбон в связанном виде, первичный цементит. Используются в качестве сырья для выплавки других железоуглеродистых сплавов, переработки. До 80% всего производимого доменного сплава.
2. Литейные (серые): карбон в виде полностью или частично свободного графита, а именно его пластин. Используются для производства малоответственных корпусных деталей. До 19% продуцируемого доменного литья.
3. Специальные: насыщенные ферросплавами. 1-2% рассматриваемого вида производства.

Ковкий чугун получают посредством термической обработки передельного.

Теория железоуглеродистых структур

Карбон с ферумом могут образовывать несколько различных видов сплавов по типу кристаллической решетки, что отображается на варианте микроструктуры.

1. Твердый раствор проникновения в α-железо – феррит.
2. Твердый раствор проникновения в γ-железо – аустенит.
3. Химическое образование Fe₃C (связанное состояние) – цементит. Первичный образовывается путем быстрого охлаждения из жидкого расплава. Вторичный – более медленное снижение температуры, из аустенита. Третичный – постепенное охлаждение, из феррита.
4. Механическая смесь зерен феррита и цементита – перлит.
5. Механическая смесь зерен перлита или аустенита и цементита – ледебурит.

Для чугунов характерна особая микроструктура. Графит может находиться в связанном виде и образовывать вышеперечисленные структуры, а может пребывать в свободном состоянии в форме разных включений. На свойства влияют как основные зерна, так и эти образования. Графитовыми фракциями в металле являются пластины, хлопья или шары.

Пластинчатая форма характерна для серых железоуглеродистых сплавов. Она обуславливает их хрупкость и ненадежность.

Включения хлопьеобразные имеют ковкие чугуны, чем положительно влияют на их механические показатели.

Шарообразная структура графита еще более улучшает качества металла, влияя на увеличение твердости, надежности, выдержки значительных нагрузок. Такими характеристиками обладает чугун высокопрочный. Ковкий чугун свойства свои обуславливает ферритной или перлитной основами с наличием хлопьеобразных графитовых включений.

Получение ферритного ковкого чугуна

Его производят из белого передельного доэвтектоидного малоуглеродистого сплава путем отжига слитков с содержанием карбона 2,4-2,8 % и соответствующего им наличия добавок (Mn, Si, S, P). Толщина стенок отжигаемых деталей должна быть не более 5 см. Для отливок значительной толщины графит имеет форму пластин и желаемые свойства не достигаются.

Чтобы получить ковкий чугун с ферритной основой, металл помещают в специальные ящики и пересыпают песком. Плотно закрытые емкости помещают в нагревательные печи. Проводят следующую последовательность действий при отжиге:

1. Конструкции нагревают в печах до температуры 1 000 ˚С и оставляют выдерживаться при постоянной теплоте на срок от 10 до 24 часов. В результате распадается первичный цементит и ледебурит.
2. Металл охлаждают до 720 ˚С вместе с печью.
3. При температуре 720 ˚С выдерживаются длительно: от 15 до 30 часов. Эта температура обеспечивает распад вторичного цементита.
4. На завершающей стадии снова охлаждают вместе с рабочей печкой до 500 ˚С, а после изымают на воздух.

Такой технологический отжиг называется графитизирующим.

После проведенных работ микроструктура материала представляет собой феррит с хлопьевидными зернами графита. Этот тип называют «черносердечным», так как излом имеет черный цвет.

Получение перлитного ковкого чугуна

Это разновидность железоуглеродистого сплава, которая также зарождается из доэвтектоидного белого, однако содержание углерода в нем увеличено: 3-3,6 %. Для получения отливок с перлитной основой их помещают в ящики и пересыпают измельченной порошкообразной железной рудой или окалиной. Сама процедура отжига упрощается.

1. Температуру металла повышают до 1 000 ˚С, выдерживают 60-100 часов.
2. Конструкции охлаждаются с печью.

Вследствие томления под воздействием жара в металлическом окружении происходит диффузия: выделяемый в цементитном распаде графит частично покидает поверхностный слой отжигаемых деталей, оседая на поверхности руды либо окалины. Получают более мягкий, вязкий и пластичный верхний слой «белосердечного» ковкого чугуна с твердой серединой.

Такой отжиг называют неполным. Он обеспечивает распад цементита и ледебурита на пластинчатый перлит с соответствующим графитом. В случае, если необходим зернистый перлитный ковкий чугун с более высокими показателями ударной вязкости и пластичности, применяется дополнительный подогрев материала до 720 ˚С. При этом образовываются зерна перлита с хлопьевидными графитными включениями.

Свойства, маркировка и применение ферритного ковкого чугуна

Длительное «томление» металла в печи имеет следствием полный распад цементита и ледебурита на феррит. Благодаря технологическим хитростям, получают сплав с высоким содержанием углерода – ферритная структура, характерная для низкоуглеродистой стали. Однако карбон сам по себе никуда не девается – он переходит из связанного с железом состояния в свободное. Температурное воздействие меняет форму графитовых включений до хлопьеобразной.

Ферритная структура обуславливает понижение твердости, увеличение значений прочности, наличие таких характеристик, как ударная вязкость и пластичность.

Маркировка чугунов ковких ферритного класса: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, где:

КЧ – обозначение разновидности – ковкий;

30, 33, 35, 37: σ_в, 300, 330, 350, 370 Н/мм² – максимальная нагрузка, которую он может выдержать, не разрушаясь;

6, 8, 10, 12 – относительное удлинение, δ, % – показатель пластичности (чем выше значение, тем больше металл поддается обработке давлением).

Твердость – около 100-160 НВ.

Этот материал по своим показателям занимает среднее положение между такими, как сталь и железоуглеродистый сплав серый. Ковкий чугун с ферритной основой уступает перлитному по показателям износостойкости, коррозионной и усталостной прочности, однако выше по механической выдержке, пластичности, литейным характеристикам. Благодаря невысокой цене широко используется в промышленности для изготовления деталей, работающих при малых и средних нагрузках: зубчатые колеса, картеры, задние мосты, сантехника.

Свойства, маркировка и применение перлитного ковкого чугуна

Вследствие неполного отжига первичный, вторичный цементиты и ледебурит успевают полностью раствориться в аустените, который при температуре в 720 ˚С превращается в перлит. Последний представляет собой механическую смесь зерен феррита и цементита третичного. Собственно, часть углерода остается в связанном виде, обуславливает структуру, а часть – «освобождается» в хлопьевидный графит. При этом перлит может быть пластинчатый или зернистый. Таким образом формируется перлитный ковкий чугун. Свойства его обусловлены насыщенной более твердой и менее податливой структурой.

Эти, в сравнении с ферритными, обладают более высокими антикоррозионными, износостойкими свойствами, их прочность значительно выше, однако ниже литейные характеристики и пластичность. Податливость к механическим воздействиям увеличена поверхностно, сохраняя твердость и вязкость сердцевины изделия.

Маркировка чугунов ковких перлитного класса: КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5.

Первая цифра – обозначение прочности: 450, 500, 560, 600, 650, 700 и 800 Н/мм² соответственно.

Вторая – обозначение пластичности: относительное удлинение δ, % – 7, 5, 4, 3, 3, 2 и 1,5.

Перлитный ковкий чугун применение обрел в машиностроении и приборостроении для конструкций, работающих при больших нагрузках — как статических, так и динамических: распределительные валы, коленчатые валы, детали сцепления, поршни, шатуны.

Термическая обработка

Материал, полученный вследствие термической обработки, а именно отжига, может повторно подвергаться методам температурных влияний. Их основная цель – еще большее увеличение прочности, износостойкости, устойчивости к коррозии и старению.

1. Закалка применяется для конструкций, требующих высокой твердости и вязкости; производится путем нагревания до 900 ˚С, детали охлаждаются со средней скоростью около 100 ˚С/сек с помощью машинного масла. Вслед за ней следует высокий отпуск с нагреванием до 650˚С и охлаждением на воздухе.
2. Нормализация используется для некрупных простых деталей методом нагревания в печи до 900 ˚С, выстаивания при этой температуре сроком от 1 до 1,5 часа и последующего охлаждения на воздухе. Обеспечивает трооститный зернистый перлит, его твердость и надежность при трении и износе. Применяется для получения антифрикционных ковких чугунов с перлитной основой.
3. Отжиг производится повторно при изготовлении антифрикционного: нагревание – до 900 ˚С, долговременная выдержка при этой теплоте, охлаждение вместе с печью. Обеспечивается ферритная или ферритно-перлитная структура антифрикционного ковкого чугуна.

Нагревание чугунных изделий может проводиться местно или комплексно. Для местного применяются высокочастотные токи либо ацетиленовое пламя (проведение закалки). Для комплексного – нагревательные печи. При местном нагреве закаляется только верхний слой, при этом повышается его твердость и прочность, но сохраняются показатели пластичности и вязкости сердцевины.

Тут важно указать, что ковка чугуна невозможна не только в силу недостаточных механических характеристик, но и по причине высокой его чувствительности к резкому перепаду температур, который неизбежен при закалке с водным охлаждением.

Антифрикционные ковкие чугуны

Эта разновидность относится и к ковким, и к легированным, они бывают серыми (АЧС), ковкими (АЧК) и высокопрочными (АЧВ). Для производства АЧК используется ковкий чугун, который подвергается отжигу или нормализации. Процессы осуществляются с целью повышения его механических свойств и образования новой характеристики – износостойкости при трении с другими деталями.

Маркируется: АЧК-1, АЧК-2. Применяется для производства коленчатых валов, шестерён, подшипников.

Влияние добавок на свойства

Кроме железоуглеродистой основы и графита они имеют в своем составе и другие составляющие, которые также обуславливают свойства чугуна: марганец, силиций, фосфор, серу, некоторые легирующие элементы.

Манган повышает текучесть жидкого металла, коррозионную стойкость и износостойкость. Он способствует повышению твердости и прочности, связыванию карбона с железом в химическую формулу Fe₃C, образованию зернистого перлита.

Силиций также положительно влияет на текучесть жидкого сплава, способствует распаду цементита и выделению графитовых включений.

Сера – негативная, но неизбежная составляющая. Она снижает механические и химические свойства, стимулирует образование трещин. Однако рациональное соотношение ее содержания с другими элементами (например, с марганцем) позволяет корректировать микроструктурные процессы. Так, при соотношении Mn-S 0,8-1,2 сохраняется перлит при любых сроках температурных влияний. При повышении соотношения до 3 появляется возможность получить любую необходимую структуру в зависимости от заданных параметров.

Фосфор меняет жидкотекучесть в лучшую сторону, влияет на прочность, снижает ударную вязкость и пластичность, влияет на длительность графитизации.

Хром и молибден затрудняют образования графитовых хлопьев, в некоторых содержаниях способствуют образованию зернистого перлита.

Вольфрам повышает износостойкость при работе в зонах высоких температур.

Алюминий, никель, медь способствуют графитизации.

Корректируя количество химических элементов, входящих в состав железоуглеродистого сплава, а также их соотношения, можно влиять на итоговые свойства чугуна.

Преимущества и недостатки

Ковкий чугун– материал, имеющий широкое использование в технике. Его основные преимущества:

• высокие показатели твердости, износостойкости, прочности наряду с жидкотекучестью;
• нормальные характеристики ударной вязкости и пластичности;
• технологичность при обработке давлением, в отличие от серых чугунов;
• разнообразные варианты коррекции свойств под определенную деталь методами термической и химико-термической обработки;
• низкая стоимость.

К недостаткам можно отнести индивидуальные особенности:

• хрупкость;
• наличие графитовых включений;
• низкие характеристики при обработке резанием;
• значительный вес отливок.

Несмотря на существующие недостатки, ковкий чугун занимает ответственное место в металлургии и машиностроении. Из него производятся такие важные детали, как коленчатые валы, детали тормозных колодок, зубчатые колеса, поршни, шатуны. Имея незначительное разнообразие марок, индивидуальную нишу в промышленности занимает ковкий чугун. Применение его характерно для тех нагрузок, при которых использование других материалов маловероятно.

Источник: fb.ru

monateka.com

15. Ковкие чугуны, их структура,получение, свойства, маркировка.

МЕТОДИЧКА:

Ковкий чугун имеет т.н. хлопьевидную форму графита (в виде рыхлых хлопьев), (рис. 4, б) промежуточную между пластинчатой и шаровидной. Такая форма графита получается в результате термической обработки. Исходным материалом для получения ковкого чугуна служит белый чугун, чаще всего доэвтектический или эвтектический.

Чугун, получающийся в результате длительного отжига низкоуглеродистого белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего хлопьевидную форму. Одной из главных особенностей ковкого чугуна является его способность гасить энергию удара (демпферировать) благодаря сильно развитой боковой поверхности графитового включения. Причем чем тоньше стенка отливки, тем большей поверхностью обладает хлопьевидный графит, тем выше его демпфирующие способности. Маркируется ковкий чугун путем простановки в начале марки буквенного индекса «КЧ», за которым идут две группы чисел: первая обозначает предел прочности при растяжении в кгс/мм2, вторая — относительное удлинение, %. Например, КЧ 37-10.

16.Классификация углеродистой стали по содержанию углерода, структуре, количеству вредных примесей, способу раскисления и назначению.

Классификация сталейСтали классифицируются по множеству признаков.

1. По химическому: составу: углеродистые и легированные.

2. По содержанию углерода:

• низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0,25 %;

• среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3…0,6 %;

• высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0,7 %

По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора:

• , – углеродистые стали обыкновенного качества:

•  – качественные стали;

•  – высококачественные стали.

По способу выплавки:

• в мартеновских печах;

• в кислородных конверторах;

• в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

По назначению:

• конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;

• инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;

• специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

 

17.Углеродистая сталь обыкновенного качества по гост 380-88, её классификация, маркировка, область применения.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) содержат до 0,07% фосфора, 0,06% серы, 0,06-0,49% углерода, являются конструкционными в равновесном состоянии имеют ферритно-перлитную структуру.

Буквы Ст в марке означают – сталь обыкновенного качества, цифры условный номер марки в зависимости от нормируемых показателей. Чем больше условный номер стали, тем больше содержание углерода и перлита в ней и тем выше ее прочность.

Таблица 1.

Марка стали	Ст0	Ст1кп	Ст1пс	Ст2пс	Ст3кп
Предел прочности, МПа	310	310-400	320-420	330-420	330-440
Марка стали	Ст3пс	Ст4кп Ст3сп	Ст4пс Ст4сп	Ст5пс Ст5сп	Ст6пс Ст6сп
Предел прочности, МПа	370-470	380-490	410-520	420-540	500-640

Буквы кп, пс, сп, стоящие за цифрой, указывают степень раскисления стали (кипящая, полуспокойная, спокойная). Из спокойных сталей наиболее полно удален кислород. В термически упрочненном состоянии они обладают высокой вязкостью и надежно эксплуатируются при температурах до -50 ⁰С.

Стали обыкновенного качества являются сталями общего назначения и используются для изготовления проката различных профилей и листовой стали, применяемых для производства заклепок, болтов, шайб, кровельного железа и другой продукции.

studfile.net

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом белого чугуна определенного состава по содержанию основных элементов и примесей.

В зависимости от режима термической обработки структура ковкого чугуна может состоять из феррита + углерод отжига, перлита или других продуктов распада аустенита (сорбита, троостита, игольчатого троостита, мартенсита и т.п.) + углерод отжига.

Ковкий чугун, полученный путем обезуглероживающего отжига, со структурой феррита в поверхностном слое и перлита + углерод отжига в сердцевине сечений отливки, в настоящее время утратил промышленное значение и не рассматривается.

Графитизация белого чугуна происходит при специальной термической обработке — отжиге.

Для получения ферритного и перлитного ковкого чугуна отжиг отливок ведут в нейтральной среде; основным процессом является графитизация, а обезуглероживание имеет ограниченные размеры и происходит попутно.

При отжиге отливок в защитной атмосфере наружный обезуглероженный и следующий за ним слой со структурой перлита отсутствует.

Свойства ферритного ковкого чугуна зависят от содержания углерода и кремния.

При конструировании рекомендуется ограничивать размеры сечений в отливках при плавке двойным процессом вагранка — электропечь — 30-40 мм, при плавке в вагранке — 20-30 мм. При модифицировании исходного белого чугуна присадками теллура и особенно магния максимальный размер сечений отливок может быть значительно увеличен — до 100-120 мм.

Минимальная толщина сечений отливок из ковкого чугуна в зависимости от их конфигурации и состава чугуна принимается в пределах 2,5-8 мм.

Усадка белого чугуна зависит от содержания в нем углерода.

В таблице 30 приведены размеры объемной усадки стали, белого и серого чугуна при перегреве расплавленного сплава на 100оС, в таблице 31 — величина линейной усадки в твердом состоянии.

Вследствие большего модуля упругости и меньшей теплопроводности величина напряжений в отливках белого чугуна значительно выше, чем в отливках серого чугуна, а вследствие меньшей прочности и теплопроводности — больше, чем в стальных отливках. Поэтому при проектировании следует предпочитать конструкции со свободной усадкой и избегать резких переходов между различными сечениями отливки, вызывающих концентрацию напряжений и пониженную усталостную прочность.

Таблица 30. Объемная усадка в %

Сплав	В жидком состоянии	При затвердевании	Общая
Сталь	1,6	3	4,6
Белый чугун*	2-2,3	4,6-3	6,6-5,3
Серый чугун	2,5	0,9	1,4

 * В зависимости от содержания углерода

Таблица 31. Линейная усадка в %

Сплав	Доперлитная	Перлитная	Полная в твердом состоянии
Сталь	1,2	1	2,2
Белый чугун*	0,3	1	1,3
Серый чугун	0	1	1

 Остаточные напряжения в отливках из ковкого чугуна вследствие длительной термической обработки значительно меньше, чем в отливках из стали и серого чугуна, и не превышают 0,5 кГ/мм2.

При термической обработке отливки ковкого чугуна увеличиваются в объеме в зависимости от содержания углерода (примерно на 50% от величины усадки).

Сопротивление статистическими нагрузками. Механические свойства ковкого чугуна зависят от свойств основной металлической массы, принимающей на себя почти все силовое поле и в меньшей мере ослабленной включениями графита по сравнению с серым чугуном. Прочность графита очень мала, и площадь его включений обычно исключается при расчетах (таблице 32)

32. Влияние включений графита на силовое поле в чугуне

Показатель	Серый чугун	Ковкий чугун
Уменьшение площади основной металлической массы а = Ест / Ечуг	До 3	1,15
Надрезающие действия включений графита B = σст / σчуг	1,2-2	1,15-1,6

 Главное преимущество ковкого чугуна по сравнению с серым заключается в его пластичности. Диаграммы деформацией при растяжении образцов различных сортов ковкого чугуна характеризуют его упругие и пластические свойства. Так как область текучести незначительна, при испытаниях ковкого чугуна определяют условный предел текучести σ_0,2.

Общая зависимость предела прочности при растяжении σ_в от относительного удлинения δ ковкого чугуна различна для его отдельных сортов.

Для ферритного ковкого чугуна увеличение σ_в всегда связанно с увеличением пластичности. Предела пропорциональности изменяется с изменением величины предела прочности при растяжении; соотношение этих величин

σ_пц / σ_в = 0,65 / 0,75

В соответствии с малой изменяемостью структурных составляющих ферритного ковкого чугуна — графита и феррита — механические его свойства могут быть надежно улучшены главным образом снижением содержания углерода и практически не зависят от изменений величины включений графита.

Таблица 33. Марки и механические свойства ковкого чугуна

Марки ковкого чугуна	Временное сопротивление разрыву в кГ/мм2 (не менее)	Относительное удлинение в % (не менее)	Твердость НВ (не менее)
КЧ 30-6 КЧ 33-8 КЧ 35-10 КЧ 37-12 КЧ 45-6 КЧ 50-4 КЧ 56-4 КЧ 60-3 КЧ 63-2	30 33 35 37 45 50 56 60 63	6 8 10 12 6* 4 4 3 2	163 163 163 163 241 241 269 269 269

 * С согласия заказчика допускается понижение относительного удлинения на 3%.

По ГОСТ 1215-59 ковкий чугун подразделяется по маркам (таблица 33)

Перлитный ковкий чугун является одним из прочных сортов чугуна и по структурному составу и механическими свойствами близко подходит к стали; с увеличением σ^в относительное удлинение снижается.

Количество связанного углерода в перлитном ковком чугуне изменяется в пределах 0,3-0,8% в зависимости от температуры нормализации, скорости охлаждения и условий термической обработки области эвтектоидных превращений.

Эти факторы определяют и структуру основной металлической массы перлитного ковкого чугуна, которая может меняется от пластинчатого и зернистого перлита до сорбита, мартенсита, а в некоторых случаях и с дисперсными включениями цементита.

Дальнейшее улучшение свойств перлитного ковкого чугуна достигается его легированием и модифицированием, присадками титана, алюминия, бора, висмута или сурьмы в различных сочетаниях.

Присутствие феррита в структуре перлитного ковкого чугуна ухудшает его свойства, так как влечет за собой резкое снижение прочности (σ_в) при незначительном увеличении пластичности (δ). Когда основная металлическая масса чугуна становится перлитной, незначительное снижение пластичности при стабилизации, сфероидизации и пр. приводит к значительному увеличению прочности.

Особое место занимает термически улучшенный ковкий чугун, закаленный и отпущенный, отличающийся высокой однородностью свойств как в отдельных сечениях, так и во всей партии.

Сопротивление динамическим нагрузкам. Динамические свойства качественного ферритного ковкого чугуна характеризуются следующими данными. Ударная вязкость при сечении образца 10Х10 мм с клиновым вырезом глубиной 2 мм а_н = 2кГ*м/см², при вырезе глубиной 5 мм с радиусом закругления 0,5 мм а_н = 0,8кГ*м/см². Динамическая вязкость (предел выносливости) σ_-1 = 17 кГ/мм². Отношение предела выносливости к пределу прочности при растяжении

σ_-1 / σ_вр = 0,5

Ударная вязкость резко снижается при появлении белого интеркристаллитного излома, которого можно избежать весьма ускоренным или очень замедленным охлаждением после отжига в интервале температур 650-450^оС

Предел выносливости ферритного ковкого чугуна в 1,2-2 раза меньше, чем стали, и в 4-6 раз больше чем серого чугуна; он зависит от асимметричности нагрузок и повышается при отрицательных величинах средних напряжений. Поэтому отливки, работающие при повторно-переменных растягивающее — сжимающих усилиях, следует подвергнуть предварительному сжатию без растягивающих напряжений при периодических нагружениях.

Предел выносливости ферритного ковкого чугуна равен 12-16 кГ/мм² и специальных малоуглеродистых легированных перлитных ковких чугунов 30-35 кГ/мм².

Состояние поверхности ковкого чугуна оказывает влияние на величину предела выносливости, чем у стали. Удаление поверхностного слоя ферритного чугуна повышает динамическую вязкость на 15-25% (таблица 34)

Таблица 34. Относительное влияние механической обработки на свойства ковкого чугуна

Состояние поверхности	Статистические свойства		Динамические свойства
	σв	δ	ан	σ-1
Литая	1	1	1	1
Механически обработанная	0,95	0,3	0,75	1,3

 Коэффициенты усталостной прочности для железоуглеродистых сплавов при различных видах нагрузок даны в таблице 35.

Таблица 35. Коэффициенты усталостной прочности

Напряжения	Сталь	Ковкий чугун	Серый чугун
σ-1 σ-1p t-1k	1.00 0.70 058	1.00 0.60 0.70	1.00 0.50 0.80

Примечание. Ковкий чугун превосходит сталь при кручении, а серый чугун при растяжении — сжатии.

Технологические свойства. Обрабатываемость ковкого чугуна зависит от структуры основной металлической массы и от включений графита. Наличие промежуточного перлитного слоя под наружной ферритной оболочкой определяет толщину первой стружки в 1,5-2,0 мм.

Обрабатываемость ферритного ковкого чугуна весьма высока; включения графита оказывают смазывающее действие и дробят стружку.

Обрабатываемость перлитного ковкого чугуна уступает обрабатываемости ферритного и определяется степенью однородности и дисперсности структуры основной металлической массы. Так, обрабатываемость чугуна со сфероидизированной структурой перлита и даже цементита вполне удовлетворительна, несмотря на повышенную твердость.

Износостойкость и антифрикционные свойства ковкого чугуна определяются структурой, условиями трения и величиной зазоров.

Наиболее благоприятной структурой обладает перлитный ковкий чугун, при отсутствии в нем изолированных включении графита, окруженных ферритной отсрочкой.

Коэффициент трения перлитного ковкого чугуна равен при жидкостном трении 0,05-0,10 и при сухом 0,30-0,45.

Втулки из этого чугуна работают на металлорежущем оборудовании при pv=50, на металлодавящем оборудовании при pv = 120, на тракторах при рv= 160 кГ/см²*сек.

Зазоры между валом и втулками по сравнению с бронзовыми увеличиваются на 10-15%.

Ферритный ковкий чугун применяется при малых давлениях (рv ≤ 20 кГ/см²*сек), особенно при малых скоростях и работе со смазкой.

Обработанные поверхности ферритного чугуна корродируют быстрее, чем перлитного чугуна и стали. Стойкость поверхности ковкого чугуна повышается применением диффузионных покрытий: фосфатированием, бесщелочным оксидированием, пассивированием и пр.

При контактной коррозии ковкий чугун обнаруживает пониженный, положительный электродный потенциал.

Ковкий чугун, особенно ферритный, хорошо поддается запрессовке, расчеканке и легко заполняет зазоры.

Прочность запрессовки втулок из ковкого чугуна при одном и том же натяге выше по сравнению с латунным на 50%.

Механические и физические свойства ковкого чугуна. В таблице 36 приведены основные характеристики наиболее часто применяемых марок ковкого чугуна применительно к следующим исходным условиям: толщина стенок 10 мм; поверхность обработанная, форма сечения при изгибе прямоугольная, при прочих нагрузках любая; рабочая температура 20^оС.

В условиях, отличных от перечисленных, значения характеристик получаются умножением данных таблицы 36 на коэффициент массы К_м, поверхности К_п, формы К_ф, температуры К_t , причем влияние температур учитывается только в условиях их отрицательного действия. Поправочный коэффициент для усталостных характеристик учитывает только характер поверхности.

Нормы прочности приведены для обработанных разрывных образцов. Поправочные коэффициенты приведены в таблице 36. В таблице 37  приведены примеры применения ковкого чугуна.

Упругие свойства ковкого чугуна определяются из основных данных таблиц — модулями нормальной упругости Е и сдвига G и коэффициентом Пуассона u. Величины же пластических деформаций и условного модуля упругости находятся по соответствующим графам таблицы. При этом учитывается, что при многократных повторных нагрузках пластические деформации уменьшаются и остаются почти одни упругие деформации.

Поправочный коэффициент для усталостных характеристик учитывает только характер поверхности. По влиянию массы, формы сечения и температуры проверенные данные отсутствуют.

Физические свойства определяются из таблицы с поправками на температуру К_t. Например, коэффициент линейного расширения в интервале до 500^оС определяется выражением

а₀⁵⁰⁰ = а₀¹⁰⁰ [1 + К_t (T — 100 = 10.8 * 10^-в [1 + 0,00072 (500-100) ] = 14 * 10^-в

Данные таблицы являются минимальными для ковкого чугуна соответствующей марки, гарантийными, и могут быть использованы для расчета деталей.

Общий объем применения ковкого чугуна в машиностроении относительно невелик и составляет около 3% от применяемых отливок из железоуглеродистых сплавов. Главной причиной этого являются технологические затруднения в процессе производства отливок, необходимость применения длительной термической обработки и ограниченная величина допускаемых размеров сечений отливок, сложность операций поверхностного упрочнения и операций сварки.

Таблица 30. Объемная усадка в %

Сплав	В жидком состоянии	При затвердевании	Общая
Сталь	1,6	3	4,6
Белый чугун*	2-2,3	4,6-3	6,6-5,3
Серый чугун	2,5	0,9	1,4

 

* В зависимости от содержания углерода

Таблица 31. Линейная усадка в %

Сплав	Доперлитная	Перлитная	Полная в твердом состоянии
Сталь	1,2	1	2,2
Белый чугун*	0,3	1	1,3
Серый чугун	0	1	1

 

Таблица 32. Влияние включений графита на силовое поле в чугуне

Показатель	Серый чугун	Ковкий чугун
Уменьшение площади основной металлической массы а = Ест / Ечуг	До 3	1,15
Надрезающие действия включений графита B = σст / σчуг	1,2-2	1,15-1,6

Таблица 33. Марки и механические свойства ковкого чугуна

Марки ковкого чугуна	Временное сопротивление разрыву в кГ/мм2 (не менее)	Относительное удлинение в % (не менее)	Твердость НВ (не менее)
КЧ 30-6 КЧ 33-8 КЧ 35-10 КЧ 37-12 КЧ 45-6 КЧ 50-4 КЧ 56-4 КЧ 60-3 КЧ 63-2	30 33 35 37 45 50 56 60 63	6 8 10 12 6* 4 4 3 2	163 163 163 163 241 241 269 269 269

* С согласия заказчика допускается понижение относительного удлинения на 3%.

Таблица 34. Относительное влияние механической обработки на свойства ковкого чугуна

Состояние поверхности	Статистические свойства		Динамические свойства
	σв	δ	ан	σ-1
Литая	1	1	1	1
Механически обработанная	0,95	0,3	0,75	1,3

 

Таблица 35. Коэффициенты усталостной прочности

Напряжения	Сталь	Ковкий чугун	Серый чугун
σ-1 σ-1p t-1k	1.00 0.70 058	1.00 0.60 0.70	1.00 0.50 0.80

Примечание. Ковкий чугун превосходит сталь при кручении, а серый чугун при растяжении — сжатии.

Таблица 36. Основные характеристики ковкого чугуна марок КЧ 35-10 и КЧ 37-12

Наименование свойства	Обозначение	Размерность	Марки чугуна
			КЧ 35-10	КЧ 37-12
Механические свойства
Растяжения
Предел текучести	σ0,2	кГ/мм2	22,0	23,0
Предел прочности	σв	кГ/мм2	33,2	35,0
Относительное удлинение	δ	%	9,0	10,8
Относительное сужение	ψ	%	11,0	13,0
Кручения
Предел текучести	t0.4	кГ/мм2	15,0	16,0
Предел прочности	tв	кГ/мм2	35,0	37,0
Относительный угол закручивания	t	—	23,0	25,0
Сжатия
Предел текучести	σ0сж	кГ/мм2	24,0	25,0
Изгиб
Предел текучести	σ 0,2 И	кГ/мм2	34,0	35,0
Предел прочности	σви	кГ/мм2	57,0	58,0
Предел прочности	tв ср	кГ/мм2	30,0	30,0
Другие механические и физические свойства
После отжига	ан	кГ * м/см2	1,4	1,6
Предел выносливости при изгибе	σ-1	кГ/мм2	14,0	14,0
Предел выносливости при растяжении-сжатии	σ-1 р	кГ/мм2	8,0	8,0
Предел выносливости при кручении	t-1	кГ/мм2	13,0	13,0
Твердость НВ	НВ	кГ/мм2	163	163
Модуль нормальной упругости	Е	кГ/мм2	16 600	17 000
Коэффициент Пуассона	u	—	0,27	0,25
Удельный вес	y	Г/см3	7,22	7,21
Коэффициент линейного расширения	а0-100оС	см/см * град	10,2	10,0
Теплопроводность	λ	кал/см * сек * оС	0,150	0,150
Теплоемкость	с	кал/Г * оС	0,122	0,122
Электросопротивление	р	мк * ом * см3	36,0	38,0
Магнитная индукция	В25 В50 В100 Вr	гс	12 000 13 500 14 600 5 500	12 300 13 800 14 600 5 500
Остаточная коэрцитивная сила	Нс	э	1,3-3,0	1,3-3,0
Химический состав (примерный)
Углерод	C	%	2.3-2.0	2.2-2.5
Марганец	Mn	%	0.3-0.5	0.3-0.5
Кремний	Si	%	1.1-1.3	1.2-1.4
Сера	S	%	0.12	0.12
Фосфор	P	%	0.12	0.12
Хром	Cr	%	0.06	0.026
Критические точки в оС
—	Ас1	oC	685	790
—	Ас3	oC	815	820
—	Аr1	oC	725	730
—	Ar3	oC	760	765

 

Поправочные коэффициенты к основным характеристикам ковкого чугуна
1. Коэффициенты литой поверхности R_n для всех марок ковкого чугуна
σ_Т — 1,05
δ — 1,1
а_н — 1,3
σ^-1 — 0,75
2. Физические константы для всех марок ковкого чугуна:
а -100 +0,0007
С +0,0005
λ -0,00024 +0,0025
3. Температурные коэффициенты Кt ( для σ_Т):

t oC	КЧ 35-10	КЧ 37-12
200-100	1,0	1,0
300	0,95	0,98
500	0,78	0,85

 

Таблица 37. Примеры применения ковкого чугуна в различных отраслях промышленности

Отросоль машиностроения	Детали	Условия работы	Рекомендуемые марки чугуна
Сельскохозяйственное	Шестерни, звенья цепей, собачки, пальцы, ключи, гребни, головки ножей и т.д.	Статистические и динамические нагрузки	КЧ 30-6
Текстильное	Банкаброши, желоньеры и т.п.	Статистические и динамические нагрузки	КЧ 30-6
Автомобильное и тракторное	Картеры — заднего моста, дифференциала, руля, ступицы колес, кронштейны двигателя, рессор, тормоза, тормозные колодки, педали, накладки, пробки, балансиры, катки, втулки	Сложные переменные динамические нагрузки Износ	КЧ 35-10 КЧ 30-6 КЧ 45-6
Вагоностроение	Детали тормозов, подшипника, кронштейны, тяговые сцепления, скобы и т.д.	Внутреннее давление, ударные нагрузки	КЧ 35-10 КЧ 30-6
Судостроение	Иллюминаторы, кронштейны и т.д.	Изгиб, ударные нагрузки	КЧ 35-10 КЧ 30-6
Станкостроение	Втулки	Износ	КЧ 45-6 КЧ 50-4
Санитарное строительство, водо -, газо — и паропроводная арматура	Фитинги, вентили, радиаторные ниппели, пневматические корпуса и т.д.	Внутреннее давление до 20 ат	КЧ 30-5

 

ingenerov.net

Чугуны, классификация чугунов, свойства

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором углерода больше 2.14%.

Рис. 11. Классификация чугунов

Белый и серый чугун. Серый и белый чугуны резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатыва­ются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ков­кого чугуна.

Серые чугуны — это литейный чугун. Серый чугун поступает в произ­водство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкцион­ным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хоро­шо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способ­ностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных на­грузках. Свойство гасить вибрации называется демпфирующей способ­ностью. Демпфирующая способность чугуна в 2—4 раза выше, чем ста­ли. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обуслови­ли применение чугуна для изготовления станин различного оборудова­ния, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомо­бильных двигателей и др. Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ) :СЧ 10(143—229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180-250), СЧ 30(181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).

Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введе­нии в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически пол­ностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная струк­тура с включениями графита. При дальнейшем уменьше­нии содержания кремния формируется структура серо­го чугуна на перлитной осно­ве с включениями графита.

Механические свойства серых чугунов зависят от метал­лической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на пер­литной основе, а наиболее плас­тичными —серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую проч­ность и не имеет связи с метал­лической основой чугуна, поло­сти, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, над­резы или трещины в металличе­ской основе чугуна, которые значительно снижают его проч­ность и пластичность. Наиболь­шее снижение прочностных свойств вызывают включения графита в виде плас­тинок, наименьшее — включения точечной или шарообразной формы.

По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной проч­ности, высокой прочности и со специальными свойствами.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена и иногда титана или меди.

Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный модифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т.е. белым или половинчатым). Модификаторы — ферросили­ций, силикоалюминий, силикокальций и др. — добавляют в количестве 0,1 —0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполне­ния. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не со­держится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводи­мого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедлен­но разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования ис­чезает через 10—15 мин.

Высокопрочный чугун. Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют приме­нять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых ус­ловиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнеч но-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др. Так, напри­мер, коленчатый вал легковой автомашины «Волга» изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4-3,6% С; 1,8-2,2% Si; 0,96-1,2% Mn; 0,16-0,30% Cr; <0,01 % S; <0,06% P и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и небольшие пределы содержания других химических элементов обеспечиваются тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высоки­ми: Ов= 620-650 МПа; §= 8-12 % и твердость НВ = 192-240.

Ковкий чугун. Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитнс-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распа­дается с образованием графита хлопьевидной формы. У отливокс толщиной стенокболее 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.

Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйст­венном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высо­кой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и удар­ные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппа­ратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механичес­ким свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свой­ствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.

Чугуны со специальными свойствами. Такие чугуны используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка, кроме проч­ности, должна обладать теми или иными специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т. п.). Из большого количества чугунов со специальными свойствами приве­дем в качестве примеров следующие.

Магнитный чугун используют для изготовления корпусов электричес­ких машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом.

Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никеле-марган-цовистый чугун, содержащий 7-10% Мп и 7-9% Ni, а также марганцево-меднистый чугун, в котором содержится 9,8% Мn и 1,2-2,0% Си.

Жаростойкий чугун — чугаль содержит 20-25% А1.

К чугунам со специальными свойствами относят также упомянутые ранее ферросплавы — ферромарганец, ферросилиций и т.д., предназна­ченные для раскисления и легирования стали при ее выплавке.

studfile.net